一、總結
了解如何在高側電壓測量中使用推挽放大器，包括 PCB 布局方法和注意事項，以及如何優化布局以提高測量精度。
2. 在高側電壓測量中使用推挽放大器
高端測量的主要優點是可以使用相對簡單的配置來放大分流內部電阻器上的電流。 例如，運算放大器可用于電機控制應用中的低成本電壓測量。
圖1
然而，這些低成本的解決方案會引入很多檢測偏差。 為了能夠準確感測電壓，我們需要考慮可能影響電路敏感節點（例如放大器輸入）的任何非理想效應。 這也是我們本文關注的重點。
3、PCB走線內阻的影響
一個重要的偏差是由于 PCB 走線引起的寄生電阻。 由于被測電阻在毫歐范圍內具有非常小的值，任何串聯的寄生內阻都可能導致測試結果出現明顯偏差。 如右圖所示，寄生內阻的等效電路圖。
圖 2
根據應用，Iload 可高達數百安培。 因此，即使是小值也會形成相當大的偏置電流。 該偏置電流將被放大器放大并出現在輸出端。
由于銅內阻的溫度系數相當高（約0.4%/°C），因此銅的值會隨溫度變化很大。 因此，當電路應用于溫度變化范圍較大的場景時，寄生內阻會因溫度變化而產生相當大的偏差。 為此，為了減小偏置電流，我們應該盡量避免長走線。
值得一提的是，消除偏斜更有效的解決方案是差分放大器而不是推挽放大器。 推挽放大器測量節點 A 相對于地的電流。 但是，差分放大器有一個差分輸入電流過大的原因是，可以測量通過它的電流。 如右圖所示。
圖 3
差分放大器的傳遞函數由下式給出：
由于差分放大器的差分輸入測量其上的電流，因此 PCB 跡線的內阻不會產生偏移。 我們將在以后的文章中更詳細地研究差分放大器配置。
4、阻焊層內阻的影響
另一個偏差來源是與被測電阻串聯的點焊電阻。如右圖所示
圖 4
在此圖中，負載電壓沿綠色箭頭方向從左向右流動。 垂直走線將內部分流電阻器連接到放大器輸入端（In+ 和 In-）。 為此，放大器會檢查 A 點和 B 點之間的電流差。測得電阻的實際值為 +。 點焊電阻值可以在幾歐姆的范圍內。
這種偏差在使用小型分流內部電阻器時尤其明顯。 例如，采用0.5mΩ的分流內阻，Iload=20A，點焊電阻值的偏差可能高達22%。 要解決這個問題，放大器輸入端應直接連接到分流內阻而不是載流走線。 右圖為優化后的PCB布局。
圖 5
在這些情況下，有兩對 PCB 過孔：一對用于連接負載，一對用于連接放大器輸入。 在高壓應用中，放大器消耗的電壓（Iamp）遠大于Iload。 因此，上述布局可以減少阻焊層內阻引起的偏差。
為了更好地理解這些技術，讓我們比較一下兩種情況下的檢測電流。 對于圖 4 所示的布局，測得的電流為：
由于 Iamp 比 Iload 小得多，我們有
-公式1
這給出了 *Iload 的偏置電流。 圖 5 中的布局如何？ 此布局的電路圖如下所示：
圖 6
請注意，電壓 Iload 無需通過即可返回其源極。 測得的電流為：
在這些情況下，偏差為 *Iamp電流過大的原因是，它比公式 1 大得多，因為 Iamp 比 Iload 大得多。 這些電路結構通常被稱為開爾文連接，這些連接被用于許多領域。 開爾文連接使我們能夠準確檢測阻抗。 圖 7 顯示了其他一些采用傳感器技術的 PCB 布局。
圖 7
5.噪聲地平面
圖 8 顯示了另一個偏差源，即噪聲接地層。
圖 8
如前所述，因為普通放大器的推挽輸入檢測節點A相對于地的電流。 假設我們的電路板有一個專用的地平面。 我們可以在附近放置一個盲孔，以將 B 點保持在系統接地電位，并最大限度地減少 PCB 走線內阻的偏差。 另一個敏感節點是節點 C。任何耦合到節點 C 的信號都會被放大并出現在輸出端。 為此，我們還需要將節點 C 保持在地電位。
然而，假設地面有噪聲并且一些電壓流過接地層，如圖 8 所示。這將導致節點 B 和 C 之間存在電位差，而我們理想情況下希望它們處于相同電位。
假設節點 B 保持在地電位，與地的電流差將出現在節點 C 并在輸出端引入偏置。 為防止此錯誤，建議使用將節點 B 和 C 彼此非常靠近的 PCB 布局。
圖 9
上面的圖 9 顯示了一個考慮了上述注意事項的示例布局。 我們使用 SOT23 封裝的運算放大器。
提醒一句：開爾文連接用于測量分流內部電阻器上的電流。 此外，R1 和 R1 的接地端需要彼此非常靠近。