Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  

19-09-2018

Прецизионный измеритель тока верхнего плеча

Linear Technology » LTC2063, LT1389

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2018

Catherine Chang, Linear Technology

Design Note 1045

Введение

Для высокоточного измерения микроамперных токов в положительном полюсе нагрузки требуется резистор с низким сопротивлением и сверхмаломощный усилитель с малым напряжением смещения. Максимальное напряжение смещения входа усилителя с нулевым дрейфом LTC2063 равно всего 5 мкВ, а ток потребления – 1.4 мкА, что делает его прекрасным выбором для создания законченного решения, измеряющего ток верхнего плеча (Рисунок 1).

Прецизионный измеритель тока верхнего плеча
Рисунок 1. Схема прецизионного измерителя тока верхнего плеча основана на операционном
усилителе с нулевым дрейфом LTC2063.

При измерении токов в динамическом диапазоне от 100 мкА до 250 мА схема потребляет очень небольшой ток от 2.3 мкА до 280 мкА. Исключительно низкое напряжение смещения LTC2063 дает возможность подключать эту схему к шунту с сопротивлением всего 100 мОм, максимальное падение на котором составляет 25 мВ. Это сводит к минимуму потери на измерительном резисторе и увеличивает мощность, поставляемую в нагрузку. Rail-to-rail входы LTC2063 позволяют этой схеме работать с очень малыми токами нагрузки при синфазных напряжениях, почти равных напряжениям шин питания. Интегрированный в LTC2063 фильтр защищает микросхему от радиочастотных помех в условиях высокого уровня шумов.

Выходное напряжение схемы для заданного тока шунта ISENSE равно

Нулевая точка

Критически важной характеристикой схемы измерения тока является нулевая точка, или эквивалентный ток ошибки на входе, создающий выходное напряжение в отсутствие измеряемого тока. Нулевая точка обычно определяется входным напряжением смещения, деленным на сопротивление RSENSE. Благодаря низкому напряжению смещения LTC2063, типовое значение которого равно 1 мкВ, а максимальное – 5 мкВ, а также низким типовым входным токам и токам смещения, имеющим порядок 1 пА, ошибки, связанные с нулевой точкой, имеют типовое значение всего 10 мкА (1 мкВ/0.1 Ом), а максимальное – 50 мкА (5 мкВ/0.1 Ом). Столь незначительная ошибка позволяет схеме измерения тока сохранять линейность вплоть до нижней границы диапазона (100 мкА) без излома характеристики, связанного с потерей разрешения (Рисунок 2). Результирующая зависимость выходного напряжения от входного тока линейна во всем диапазоне измеряемых токов.

Прецизионный измеритель тока верхнего плеча
Рисунок 2. Нижняя граница диапазона измерений
ISENSE в увеличенном масштабе.

Еще одним источником ошибки нулевой точки является ток стока P-канального полевого транзистора при нулевом напряжении на затворе (IDSS) – паразитный ток, существующий при ненулевом напряжении сток-исток (VDS) и номинально выключенном транзисторе (напряжение затвор-исток равно нулю). MOSFET с большим током утечки IDSS будет причиной появления ненулевого положительного напряжения VOUT в отсутствие тока ISENSE.

Верхний предел IDSS использованного в этой схеме транзистора BSP322P компании Infineon при |VDS| = 100 В составляет всего 1 мкА. Оценка типичного значения IDSS в этом приложении, полученная из графика в техническом описании BSP322P для комнатной температуры и VDS = –7.6 В, дает величину всего 0.2 нА, что соответствует результирующей выходной ошибке лишь 1 мкВ, эквивалентной ошибке входного тока 100 нА при измеряемом токе 0 А.

Архитектура

Микросхема источника опорного напряжения LT1389-4.096 и бутстрепная схема на элементах M2, R2 и D1 образуют очень маломощную изолированную 3-вольтовую шину (4.096 В плюс напряжение отсечки M2, типичное значение которого равно –1 В). Это шина защищает LTC2063 от воздействия напряжения, превышающего максимально допустимое напряжение питания 5.5 В. Несмотря на то, что для задания тока смещения может быть достаточно последовательного сопротивления, использование транзистора M2 позволяет значительно повысить общее напряжение питания, а также ограничить потребление тока в верхнем конце диапазона всего до 280 мкА.

Точность

Входное напряжение смещения микросхемы LTC2063 вносит фиксированный ток ошибки, приведенное к входу типовое значение которого равно 10 мкА. При измерении на верхнем пределе полной шкалы 250 мА это приведет к ошибке всего 0.004%. Однако в нижней части шкалы 10 мкА составит уже 10% от тока 100 мкА, но, поскольку смещение постоянно, оно может быть откалибровано. Как показывает Рисунок 3, общее смещение, вносимое микросхемой LTC2063, несогласованными паразитными термопарами и любыми паразитными последовательными входными сопротивлениями составляет всего 2 мкВ.

Прецизионный измеритель тока верхнего плеча
Рисунок 3. Сквозная характеристика преобразования от VIN до VOUT 
при минимальном напряжении питания 4.5 В. Деление выходного
смещения 200.7 мкВ на коэффициент усиления напряжения 100.05 В/В
дает напряжение смещения входа 2 мкВ.

Из Рисунка 3 видно, что измеренное усиление 100.05 В/В на 1.28 превышает ожидаемое значение 98.77 В/В, определяемое реальными сопротивлениями RLOAD и RIN. Эта ошибка может быть обусловлена различием температурных коэффициентов RLOAD и RIN. Основным источником погрешности на выходе этой схемы является шум, поэтому решающее значение имеет его снижение путем фильтрации с использованием параллельных конденсаторов большой емкости для сужения шумовой полосы частот и, соответственно, снижения суммарных помех. При частоте среза выходного фильтра 1.5 Гц LTC2063 добавляет примерно 2 мкВ пик-пик приведенных к входу низкочастотных шумов. Дополнительное снижение погрешности, обусловленной шумами, дает усреднение выходного напряжения на максимально возможном интервале времени.

Другими источниками погрешностей в этой токоизмерительной схеме являются последовательное паразитное сопротивление проводников платы между RSENSE и входами LTC2063, разброс сопротивлений резисторов RIN и RLOAD, задающих коэффициент усиления, несоответствие температурных коэффициентов этих резисторов и напряжение ошибки на входе операционного усилителя, создаваемое паразитными термопарами. Влияние первых трех источников ошибок можно минимизировать использованием четырехпроводного подключения к токоизмерительному резистору RSENSE (мост Кельвина) и выбором входных резисторов и резистора RLOAD с отклонениями сопротивлений 0.1% и похожими или низкими температурными коэффициентами. Для того чтобы нейтрализовать эффект паразитной термопары, выводы резисторов R1 и RIN должны быть сделаны из одинакового металла. Необходимо также, насколько это возможно, не допускать асимметрии температурных градиентов на входах.

Прецизионный измеритель тока верхнего плеча
Рисунок 4. Во всем диапазоне измерений ошибка
остается ниже 1.4%.

Общий вклад всех источников ошибок, обсуждавшихся в этом разделе, относительно максимального выходного напряжения 2.5 В, как видно из Рисунка 4, не превышает 1.4%.

Потребляемый ток

Минимальный ток, требуемый для питания микросхем LT1389 и LTC2063 составляет 2.3 мкА при минимальных значениях напряжения питания VSUPPLY и измеряемого тока ISENSE (4.5 В и 100 мкА), и увеличивается до 280 мкА при максимальных VSUPPLY и ISENSE (90 В и 250 мА) (Рисунок 5). Помимо активных компонентов, ток источника питания VSUPPLY проходит также через транзистор M1. Величина этой составляющей, пропорциональной выходному напряжению, изменяется от 200 нА при выходном напряжении 0.1 мВ (для ISENSE = 100 мкА) до 500 мкА при напряжении 2.5 В (для ISENSE = 250 мА). Таким образом, общий ток потребления, добавляющийся к току ISENSE, изменяется в диапазоне от 2.5 мкА до 780 мкА. Сопротивление RLOAD выбрано равным 5 кОм исходя из типичного значения входного тока АЦП.

Прецизионный измеритель тока верхнего плеча
Рисунок 5. Потребляемый ток увеличивается с
ростом напряжения питания, но никогда
не превышает 280 мкА.

Диапазон входных напряжений

Максимальное напряжение питания этой схемы ограничивается наибольшим напряжением |VDS|, которое способен выдержать P-канальный МОП-транзистор. Поскольку для BSP322P это максимальное значение составляет 100 В, подходящим рабочим пределом для схемы будет напряжение 90 В.

Диапазон выходных напряжений

Схема может работать на сопротивление нагрузки 5 кОм, что позволяет подключать ее к входам многих АЦП. Диапазон выходных напряжений составляет от 0 В до 2.5 В. Благодаря rail-to-rail выходам микросхемы LTC2063, максимальное напряжение на затворе M1 ограничено только запасом, требуемым для LTC2063. Типовое значение этого напряжения, равное для данной схемы 3 В, определяется суммой опорного напряжения 4.096 В на микросхеме LT1389 и порогового напряжения –1 В транзистора M2.

Поскольку выходным сигналом этой схемы является не напряжение, а ток, смещение земли или выводов на ее точность не влияют. Это позволяет использовать длинные провода между выходом P-канального МОП-транзистора M1 и резистором нагрузки RLOAD, чтобы разместить RSENSE вблизи шины с измеряемым током, а RLOAD – возле АЦП и других каскадов последующей обработки сигнала. Недостатком длинных проводов является увеличенная чувствительность к электромагнитным помехам. Однако конденсатор C3 емкостью 100 нФ, подключенный параллельно RLOAD, убирает такие помехи прежде, чем они достигнут входа следующего каскада.

Ограничения скорости

В связи с тем, что произведение коэффициента усиления на полосу пропускания для микросхемы LTC2063 равно 20 кГц, эту схему рекомендуется использовать для измерения сигналов с частотой 20 Гц или ниже. Включенный параллельно нагрузке конденсатор C2 емкостью 22 мкФ фильтрует выходные шумы до 1.5 Гц, улучшая точность измерений и защищая последующие каскады от резких бросков тока. Платой за эту фильтрацию является возросшее время установления, особенно в самом низу диапазона измерений.

Заключение

Сверхнизкое входное напряжение смещения микросхемы LTC2063, низкие входные токи и токи смещения, а также rail-to-rail вход обеспечивают высокую точность измерений токов во всем диапазоне от 100 мкА до 250 мА. Ток потребления микросхемы, не превышающий 2 мкА, составляет ничтожную долю от 280 мкА для большей части рабочего диапазона. Низкое напряжение питания в сочетании с низким потребляемым током позволяют питать микросхему от источника опорного напряжения.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Precision Ultralow Power High Side Current Sense

50 000 товаров на складе
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ЭлитанAnalog DevicesLTC2063IS5124 руб.
ДКО ЭлектронщикLinear TechnologyLTC2063IS5#TRMPBFпо запросу
ЭлрусLTC2063HSC6#TRMPBFпо запросу
Подробнее об условиях поставки »
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Как можно увеличить быстродействие схемы, не жертвуя особо шумовыми характеристиками и ошибкой измерения? Может есть пусть дорогие, но более подходящие микросхемы для апгрейда? Какие именно? И ещё. Где тут основной источник шумов?
  • Парни, что же это такое. В который раз член сообщества РадиЛоцман задаёт вопрос по существу, и никто ему не отвечает. Вы что, перестали читать серьёзные статьи? Тогда для кого старается администрация? Вы хотя бы представляете, на сколько качественный продукт в виде перевода получаете по сути "за просто так". При том уровне рекламы, что есть на Радиолоцмане, это удивительно, что такие опусы на тему тех же микроамперных токов выходят в переводе на русском. По существу. На мой взгляд, dimmich задал три вопроса: - о погрешностях измерения, - о шумах, - о постоянной времени. Источники погрешности измерений данной схемы перечислены в статье. Это: напряжение смещения входа усилителя (1-5мкВ), соответственно паразитный ток смещения и входной ток усилителя (по 1-3пА), ток полевого транзистора при нулевом напряжении на затворе (как бы ток утечки или паразитный ток в условно запертом состоянии, тут 1мкА при Vds=100В), очень низкое сопротивление шунта (100мОм) и в дополнение паразитные термопары в местах пайки и несогласованные сопротивления проводников печатной платы, различие температурных коэффициентов сопротивлений нагрузки и шунта. Но в диапазоне 100мкА - 250мА эти источники погрешностей можно назвать "аддитивными", т.е грубо говоря сложить и вычесть из выхода схемы как некую постоянную составляющую. Отсюда автор говорит о линейности и разбросе этой постоянной составляющей ошибки относительно всего диапазона измерений. (Хотя среди метрологов существует спор относительно различия терминов "ошибка" и "погрешность" измерения вследствие характера их влияния на ряд величин, таких как "разрешающая" способность (или же дискретность), и точность измерения. По сути, они являются абсолютной и относительной характеристиками последней. Если не изменяет память, информацию об этом можно почерпнуть из теории электрорадиоизмерений, признаюсь, самом нелюбимом предмете. А то, что автор с такой тщательностью описывает не идеальные средства измерения и их паразитные свойства в совокупности схемы, говорит о его высокой квалификации). Шумы. В статье прямо говорится о "приведенных ко входу низкочастотных шумах". Тут нужно понимать, что при изменений тока нагрузки от 100мкА до 250мА при напряжении источника питания 4,5В сопротивление нагрузки меняется от 45 кОм до 20 Ом. Вот так диапазон! А при напряжении источника питания 90В соответственно от 900 кОм до 400 Ом. Т.е. в нижнем диапазоне измеряемых токов разброс сопротивления нагрузки 45-900 кОм. Что это означает в плане наводок можно представить. Эти шумы естественно проходят на выход с коэффициентом усиления 1:100. Учитывая, что полоса выбранного ОУ при единичном усилении 20кГц сужается в это схеме до нескольких сот герц, увидеть на выходе более быстрое изменение тока всё равно не получится. Автор вообще пишет, что рекомендуется использовать эту схему для частот на входе не более 20Гц. И ничего, кстати, не сказано о характере источника питания. Если это батарея - хорошо. Если это импульсник с большими пульсациями - плохо. Тогда без ФНЧ просто не обойтись. Кстати, тут в статье опечатка. В разделе "Ограничение скорости" должно быть "эту схему рекомендуется использовать для измерения сигналов с частотой 20 Гц или ниже". Поэтому и стоит на выходе ФНЧ с полосой пропускания 1,5Гц: увидеть сигналы выше десятков герц без искажений всё равно не получится, а шумы и наводки в чуть более широком частотном диапазоне будут пробиваться на выход, грубо говоря. Поэтому "увеличить быстродействие схемы, не жертвуя особо шумовыми характеристиками и ошибкой измерения" можно косвенно выбором усилителя с более широкой полосой пропускания и уменьшением постоянной времени фильтра на выходе. Но это, наверное, не спасёт от шумов в районе 50 Гц при малых токах нагрузки (сотни мкА), зато существенно усокрит отклик схемы. При больших же токах нагрузки (100-200мА) проблема шумов не так ярко выражена, если, конечно, рядом со схемой измерения нет мощных потребителей или радиопередатчиков :-) А более подходящей микросхемой окажется любой усилитель с более низкими напряжением смещения и входными токами, более низким температурным дрейфом, более широкой полосой пропускания (параметр Gain Bandwidth Product), более широким диапазоном напряжений питания (но обязательно с настойщими входами Rail-to-Rail) и т.д. Но диапазон измерений в этой схеме 100мкА - 250мА чрезвычайно широк. Отношение верхнего и нижнего пределов 0,25/0,0001 = 2500 раз. Представьте, какой разрядностью и какого класса должен быть АЦП, чтобы измерять близкий к постоянному ток нагрузки с дискретностью хотя бы 5мкА во всём диапазоне. Отчасти поэтому, наверное, автор построил схему с выходом по току. Меньше наводок по пути от усилителя к АЦП за счёт нагрузочного резистора (правда он великоват), а сменной резистора можно быстро поменять диапазон Vout за счёт варьирования отношения Rload/Rin. Но это догадки. Также нужно сказать, что на РадиоЛоцмане много статей на тему "Датчик тока верхнего плеча". Кажется, переводчик этих материалов или писал диплом на эту тему, или уж очень благоволит к точным измерениям именно верхнего плеча :-).
  • Полагаю, подобного развёрнутого, доступного для понимания, объяснения мало кто решится дать. ТЭРЦ наука сложная прежде всего в силу того, что базируется на высшей математике, к которой, у многих отношение, мягко говоря, неоднозначное. Вопросы, которые задал dimmich, не позволяют дать простые и подробные ответы. По сути, так или иначе, но все шумы сводятся, в конечном счёте к тепловым. Из ТЭРЦ известно, что мощность шумов в нагрузке, выделенных через одногерцевый фильтр, не зависит от сопротивления нагрузки. Она определяется только температурой. Отсюда и тот диапазон фильтра в 1.5 Гц, который использует автор статьи. Попутно замечу, что для снижения уровня таких шумов, обычно применяют охлаждение до сверхнизких температур (жидкий гелий, например). Безоговорочно поддерживаю antonydublin в его оценке работы администрации сайта. С уважением...
  • Лучше поздно, чем никогда... Спасибо, antonydublin, 20 кГц исправили на 20 Гц
Рекомендуемые публикации по теме:
Схемы  »
Датчик тока верхнего плеча измеряет ток отрицательной шины
Форум  »
Отсутствует сигнал верхнего плеча на драйвере IR2110
Форум  »
Обсуждение: Ключ верхнего плеча и четыре дополнительных компонента обеспечивают защиту от повышенного напряжения
Схемы  »
Ключ верхнего плеча и четыре дополнительных компонента обеспечивают защиту от повышенного напряжения
Схемы  »
Драйвер верхнего плеча с защитой от перегрузки

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Осциллограф Rohde Schwarz RTB2002
Осциллограф Rohde&Schwarz RTB2002
Цена: от 128 тыс. руб.
Доставка: Россия
Тепловизор Fluke TiX580
Тепловизор Fluke TiX580
Диапазон измеряемых температур: от 20 до +800 °C
Цена: от 1 458 000 руб.
Доставка: Россия
Датчики влажности и температуры ДВТ-03
Датчики влажности и температуры ДВТ-03
Цена: от 3 168 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Рейтинг@Mail.ru