在电机控制或电磁阀控制应用里，许多电气系统都无可避免地要面对恶劣的工作环境。控制电机和电磁阀的电子装置往往需要近距离接触终端应用产生物理运动所需的高电流和电压。而且，这些系统经常需要进行维修操作，这就增加了非故意接线错误的可能性。鉴于这种与高电流和电压近距离接触以及接线不当的潜在风险，过压保护成为了电路设计中不可或缺的重要环节。
　　为了构建高效且安全的系统，在这些应用中通常会使用精密电流检测放大器来监控电流情况。在进行精密放大器电路设计时，必须要考虑如何防止过压对电路造成影响。然而，保护电路的加入可能会对放大器的精度产生一定的影响。因此，适当地设计、分析和验证电路，才能在保护功能和精度之间找到最佳的平衡点。本文将着重讨论两种常见的保护电路，以及这些电路的实施对电流检测放大器精度的具体影响。
　　电流检测放大器
　　大部分电流检测放大器具备处理高共模电压（CMV）的能力，但却无法承受过高的差分输入电压。在某些特定应用中，分流器的差分输入电压可能会超过放大器的额定最大电压。这种情况在工业和汽车电磁阀控制应用中尤为常见，例如在图 1 所示的应用场景中，短路故障可能会使电流检测放大器暴露在高差分输入电压之下，其电压值甚至可能达到与电池相同的电位。如果没有相应的保护电路，这种差分过压很可能会对放大器造成损坏。
　　　过压保护电路
　　图 2 展示了电流检测放大器的过压保护基本连接方式。当差分输入电压超过指定放大器的最大额定值时，放大器可能会将电流引入内部保护二极管。若输入引脚之间存在较大的差分电压信号，额外的串联电阻 R1 和 R2 可以起到防止大电流流入内部保护二极管的作用。

　

　　不同的器件，其保护电路能够承受的最大额定电压和最大输入电流也有所不同。一般来说，除非规格书明确指明可以接受更大的电流值，否则流过内部差分保护二极管的电流应以 3 mA 为上限。我们可以将该值代入以下等式来计算 R1 和 R2 的值：

　　R=IVIN_MAX?VRATED_MAX

其中：VIN_MAX是预计最大差分电压，VRATED_MAX是最大额定电压（0.7 V），R是总串联电阻（R1 + R2）。例如，假设预计最大瞬态输入电压为 10 V，则等式为：R=3mA10V?0.7V≈3.1kΩ的值，一种有效的方法是在输入引脚增加电流能力更高的外部保护二极管，如图 3 所示。

　　　例如，当使用 Digi - Key B0520LW - 7 - F 肖特基二极管时（该二极管可处理高达 500 mA 正向电流），
　　R
　　值可降低至 20 Ω。
　　系统性能的权衡
　　在放大器输入端加入串联电阻可能会对某些性能参数产生不利影响。在某些放大器中，
　　R1　和R2
　　会与内部精密电阻串联；而在其他放大器中，失调电流与电阻共同作用会产生失调电压。其中，增益误差、共模抑制比（CMRR）和失调电压这几个参数更容易受到影响。
　　为了深入研究串联电阻的潜在影响，我们对两款电流检测放大器进行了测量，这两款放大器的输入引脚均配置有保护电阻。评估增益误差、CMRR 和失调电压的测试设置如图 4 所示。该设置采用 Agilent E3631A 电源向器件提供 5 V 单电源，采用 Yokogawa GS200 精密直流源产生差分输入电压信号，采用 HAMEG HMP4030 设置 CMV，采用 Agilent 3458A 精密万用表测量电流检测放大器的输出电压。
　　　我们对 AD8210 和 AD8418 进行了评估，旨在测量额外串联电阻对器件增益误差、CMRR 和失调电压参数的具体影响。
　　增益误差
　　当串联电阻与放大器输入端串联时，它们与放大器的差分输入阻抗一起构成一个电阻分压器。这个电阻分压器会引入一个衰减，该衰减会以额外增益误差的形式出现在电路中。放大器的差分输入阻抗越低，这种额外增益误差就越大。
　　表 1 显示了 AD8210 经计算得到的额外增益误差和实际增益误差。我们分别在带与不带保护电路的情况下对 AD8418 进行了测试，表 2 显示了该放大器经计算得到的额外增益误差和实际增益误差。
　　表 1：AD8210 增益误差
　　情况额外增益误差实际增益误差
　　带保护电路[具体值][具体值]
　　不带保护电路[具体值][具体值]
　　表 2：AD8418 增益误差
　　情况额外增益误差实际增益误差
　　带保护电路[具体值][具体值]
　　不带保护电路[具体值][具体值]
　　实测结果表明，AD8418 增益误差偏移 0.013%，而 AD8210 偏移 0.497%。由于 AD8418 和 AD8210 的输入阻抗分别是 150 kΩ 和 2 kΩ，因此，AD8418 引入的误差会远小于 AD8210。
　　共模抑制比
　　由于电流检测放大器经常处于高 CMV 的环境中，因此 CMRR 是衡量其性能的重要规格参数之一。CMRR 用于衡量器件抑制高 CMV 并获得较高精度和性能的能力，即当放大器的两个输入端施加相等电压时，所测得的输出电压变化。CMRR 定义为差分增益与共模增益之比，通常以 dB 表示。我们使用以下等式来计算两个放大器的 CMRR 值：
　CMRR=20logACMADM其中：ADM为 AD8210 和 AD8418 的差分增益（ADM=20），ACM为共模增益ΔVOUT/ΔVCM。
　　当串联电阻与放大器输入端串联时，串联电阻的失配会叠加到内部电阻的失配上，从而对 CMRR 产生影响。电流检测放大器 AD8210 和 AD8418 的 CMRR 测量结果分别如表 3 和表 4 所示。
　　表 3. AD8210 CMRR 性能（增益为 20）
　　情况CMRR（dB）
　　带串联电阻[具体值]
　　不带串联电阻[具体值]
　　表 4. AD8418 CMRR 性能（增益为 20）
　　情况CMRR（dB）
　　带串联电阻[具体值]
　　不带串联电阻[具体值]
　　结果显示，额外外部串联电阻使得 AD8418 的 CMRR 降低，而对 AD8210 CMRR 的影响相对较小。AD8418 的 CMRR 变为 89 dB，而 AD8210 则几乎保持不变（94 dB）。对于固定增益器件，AD8418 和 AD8210 的共模阻抗相对较高，分别为 750 kΩ 和 5 MΩ。
　　失调电压
　　当偏置电流流过外部电阻时，会产生一个与器件固有失调电压串联的误差电压。为了计算这一额外的失调电压误差，我们可以将输入失调电流（
　ΔVOS=IOS×R其中：IOS为输入失调电流，R为额外外部阻抗。
　　为额外外部阻抗。
　　基于 AD8210 和 AD8418 电流检测放大器测量结果的失调电压增加量分别如表 5 和表 6 所示。
　　表 5. 由输入失调电流和外部阻抗引起的 AD8210 额外失调电压
　　情况失调电压增加量
　　带串联电阻[具体值]
　　不带串联电阻[具体值]
　　表 6. 由输入失调电流和外部阻抗引起的 AD8418 额外失调电压
　　情况失调电压增加量
　　带串联电阻[具体值]
　　不带串联电阻[具体值]
　　结果表明，AD8418 失调电压的增加量大于 AD8210 失调电压的增加量。这是由于 AD8418 约为 100 μA 的输入失调电流所导致的。输入引脚串联的任何额外阻抗都会与输入失调电流相互作用，从而产生额外失调电压误差。
　　结论
　　在输入引脚上增加额外的串联电阻是一种简单有效的保护电流检测放大器免受过压影响的方法。通过测量可以发现，这种方法对增益误差、CMRR 和失调电压等性能指标的影响与外部电阻的幅度以及所用的电流检测放大器类型直接相关。如果设计得当，电路可以有效改善应用的差分输入电压额定值，同时元件数量增加有限，对精度的影响也能够控制在较小的范围内。