赵元元++杨森++李健宇++赵晔

摘 要：运算放大器是一种应用广泛，能实现压控电压源特性的多端实际器件，它是组成各种有源网络的重要器件之一。含运算放大器的电路的分析主要利用运算放大器的虚短、虚短特性。针对大多数模拟集成电路分析电流测量，基于运算放大器的虚短、虚短特性，对运算放大器在电流检测特别是微弱电流检测中的应用进行了改进，并对差分放大器电流检测中运算放大器消除共模电压的进行了研究，使电流检测更准确。

关键词：运算放大器 电流检测 消除共模电压 模拟集成电路

中图分类号：TM5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（c）-0080-02

在现实生活中电流检测放大器是运放的一种重要体现，大多数模拟集成电路（比较器、运算放大器、仪表放大器、基准、滤波器等）都是用来处理电压信号的，然而直接监视和测量电流有很大的优势，所以需要对电路进行转换。

该文对运算放大器在电流检测中的应用进行了改进，同时对差分放大器电流检测中运算放大器消除共模电压进行了研究。

1 电流检测放大器

1.1 电流检测的理想模型

图1是由运放构成的基本转换电路，因为运算放大器的增益A很大，且输入失调电压UOS很小，可简化为选择合适的运算放大器使其输入阻抗远远大于R1，则IB可忽略，可简化为。

1.2 理想模型的优化

在实际应用中，往往需要对一些阻抗较大的材料进行性能的测试，即通过对材料加一扫描电压测出电流的变化情况。因为被测材料阻抗较大，所以电流往往很微弱。弱电流测量比较常见且可靠的方法是通过转换电路，利用电阻将微弱的电流信号转化为电压信号，再将此电压信号进一步放大后进行记录分析。要实现这一过程必须设计合适的转换电路。

需要改进一下几点：

（1）对于上述理想模型忽略了IB，但在微弱电流测量中，为了获得较高的放大器增益，R1的值必须取很大，否则不易准确测量微弱电流，但若R1取值太大，放大器的输入阻抗应更大。因此需要考虑输入阻抗足够大的运算放大器。

（2）运算放大器需要外接限流电阻来保护输入，防止输入跟衬底之间的绝缘二极管正偏时破坏性电流的涌入，因此在输入端加10K的限流电阻。

（3）PCB的渗透电流会轻易的超过运算放大器的偏流，需要对信号输入脚使用支架，然后用导线跟PCB连起来。

（4）将R1换成可控的电阻，电路的转换比将随之改变，配合数据采集卡检测、控制，电路还能实现量程的自动切换。因数据采集卡输出模拟电压一般为±5V，为提高测量范围，利用集成运算放大器三倍放大至±15V，然后输出部分再还原，可使电压检测范围提高至±15V.

Rx综上所述设计成如图2所示电路。Rx为待测样品，IC1作为的输入电阻，电流全部流过它，R2、R2、R2、R2以及K2、K2为干簧管继电器开关（继电器线圈部分图未画出），受控于数据采集卡。Vin的电压输入范围在-15～+15V，输出电压Vout的范围是-5～+5V.

如上所述电路图实现了微弱电流信号的测量，用于一些物理、化学材料的电性能进行测试实验。

2 利用差分放大器进行电流检测

在理想情况下，电流检测仅仅是用电阻将电流转换成电压。但只用电阻不能组成完整的解决方案。在实际中最常见的解决方案是用一个检测电阻直接与电流串联，同时用一个放大器来调节电阻上的电压。但是我们必须考虑到接地线的电阻，而且在系统中不同位置的电压可能不同。基于上述情况我们必须采用差分放大器才可以实现准确测量。下面介绍差分放大器。

负载接地通路中“地”会随着电流的变换而变化。因为必须保持相同的电平才可以避免引起的共模误差。这一问题的解决方法是在电源和负载之间放置电流检测电阻。不过应用于这种方法而言，电阻上面出现了一个非零的共模电压。我们必须从电源共模电压中分辨出小的差分检测电压。所以对电流检测来说，共模电压是关键所在。当共模电压超过电源电压时，如通过电动机（感性）的电流迅速变化，使得检测电阻上出现了大的电压摆幅。为了给克服电流检测难题，设计了拥有高输入阻抗、高增益和高增益准确度以及宽共模范围和良好的共模抑制的高端电流检测放大器。

3 消除共模电压

当负载接地通路中“地”会随着电流的变换而变化。这一问题的解决方法是在电源和负载之间放置电流检测电阻。不过此时电阻上面出现了一个非零的共模电压。共模电压的差异会表现为附加的噪声和偏移，损害了所需信号。

消除共模电压误差有很多方法。最常用和最有效的一种CMV矫正方式是差分放大，即采用模拟量减法，从信号中去除CMV分量。这种方法的缺点是每个信号通道上都需要一只专门的放大器。

改进差分放大电路可以将两个共享的CMV放大器与八个复用通道中的简单无源电阻对组合起来，以最少的元件数量为大量模拟通道实现CMV消除。

4 结语

由以上分析可以得出，两种类型的电流检测器都可以工作，但不同架构的优势却取决于截然不同的指标折衷。对于瞬态电流监控，宽带宽的电流用电流检测放大器最适合，但差分放大器更适合监控平均电流。此外，电流检测放大器具有最小的输入电源关断偏臵电流泄漏，因此非常适合对电流消耗敏感的电源管理应用。不过，采用外部滤波器时，高端电流检测放大器的输入结构可能限制性能并要求仔细检查，以确保在恶劣应用环境使用时不超过绝对输入额定值。

参考文献

[1] 杨竹丰.高灵敏宽量程微电流计电子测量技术[J].电子测量技术，2004（5）：57-58.

[2] 胡诞康.微弱信号的测量电子质量[J].电子质量，2005（5）：1-4.

[3] W Stephen Woodward hapel.消除共模电压的放大器[J].电子设计技术，2007，14（8）：124.

[4] 魏凡，杨沛，杨刚.基于LT1793放大器的传感器微弱信号检测[J].电子元器件应用，2008（7）：10-12.

[5] 电子文献：新型放大器实现高性能电流检测.http：//www.ednchina.com/ART_47524_11_20013_AN_4bcef0ec.HTM.

[6] Scott Beversdorf，Chuck Whiting.Current Measurement in Solenoids for Automotive Control Systems[J].Analog Dialogue，2004，38（4）：1-3.endprint