Диапазон входных напряжений прецизионных усилителей сигналов датчиков тока легко расширить до 180 В

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2013

Martin Tomasz, Touchstone Semiconductor

EDN

Диапазон входных синфазных напряжений прецизионных усилителей сигналов датчиков тока (current-sense amplifier – CSA) можно расширить до сотен вольт, добавив сдвоенный ОУ общего назначения и несколько дискретных компонентов.

Точность многих CSA весьма высока, но часто подобные усилители разрабатываются в расчете на использование только в аппаратуре с батарейным питанием, и не могут подключаться к шинам с таким высоким напряжением, какое присутствует, скажем, на объединительных панелях стоек. Изображенная на Рисунке 1 схема показывает, как обойти это ограничение и измерять ток в положительном полюсе нагрузки, запитав CSA опорным напряжением стабилитрона (Z1) и использовав сдвоенный ОУ общего назначения, MOSFET и резисторы для преобразования выходного напряжения усилителя сигналов датчика тока в привязанное к земле напряжение на резисторе.

Рисунок 1.	Высоковольтный прецизионный усилитель сигналов датчиков тока.

Основу схемы составляет усилитель сигналов датчиков тока TS1100-100 (U1), выпускаемый компанией Touchstone Semiconductor. На выходе OUT этого усилителя формируется напряжение, в 100 раз большее, чем разность напряжений между входами RS+ и RS–. Например, если R1 = 50 мОм, то при токе 1 А выходное напряжение микросхемы составит 5 В. Выбор этой микросхемы обусловлен сверхнизким напряжением смещения ее входов с типовым значением 30 мкА и током потребления, не превышающим 1 мкА. Для управления затвором N-канального MOSFET Q1 усилитель U2A должен обеспечивать диапазон выходных напряжений, равный напряжению на стабилитроне Z1 (12 В), то есть, следует выбирать усилитель rail-to-rail. U2A преобразует напряжение OUT в пропорциональный ток, протекающий через резисторы R3 и R2. Соответственно, падение напряжения на R3 также пропорционально OUT. Операционный усилитель U2B управляет затвором P-канального MOSFET Q2, создавая в резисторе R4 ток, пропорциональный напряжению на выходе OUT. Этот же ток протекает через привязанный к земле резистор R5, с которого снимается сигнал для последующего измерения с помощью системного АЦП. Отметим, что Q2 должен выдерживать полное напряжение между шинами VIN и землей, чем и обусловлен выбор транзистора ZVP1320F с допустимым напряжением сток-исток, равным 200 В.

Точность измерения тока нагрузки этой схемой исключительно высока. Ультранизкое напряжение смещения микросхемы TS1100 позволяет использовать резистор шунта R1 с очень маленьким сопротивлением и, соответственно, с ничтожным падением напряжения на нем. Так, при напряжении между выводами RS+ и RS– равном 1 мВ, порождаемая смещением ошибка в, типичном случае, не превышает 3%. Каждая часть усилителя U2 добавляет к выходному напряжению еще по 0.5 мВ смещения, но в пересчете к входному напряжению RS+/RS– (с учетом усиления схемы, равного 100) создаваемая смещением ошибка не превышает 1 мкВ. Практически, в качестве U2 может использоваться любой сдвоенный ОУ, способный работать при напряжении питания, определяемом стабилитроном Z1, и имеющий напряжение смещения, не вносящее существенного вклада в общую ошибку измерений. При прочих равных условиях, лучше выбирать микромощный ОУ, соизмеримый с TS1100 по току потребления, чтобы сохранить низкое общее энергопотребление схемы. Ошибка усиления определяется точностью резисторов R2–R5. Если их допуск равен 0.1%, результирующая ошибка, с учетом погрешности, вносимой TS1100, будет порядка 0.22%.

Схема может работать при любом входном напряжении, даже при нескольких сотнях вольт. Ее возможности ограничены только транзистором Q2, который должен выдерживать максимальное напряжение VIN.