一、总结
了解如何在高侧电压测量中使用推挽放大器，包括 PCB 布局方法和注意事项，以及如何优化布局以提高测量精度。
2. 在高侧电压测量中使用推挽放大器
高端测量的主要优点是可以使用相对简单的配置来放大分流内部电阻器上的电流。 例如，运算放大器可用于电机控制应用中的低成本电压测量。
图1
然而，这些低成本的解决方案会引入很多检测偏差。 为了能够准确感测电压，我们需要考虑可能影响电路敏感节点（例如放大器输入）的任何非理想效应。 这也是我们本文关注的重点。
3、PCB走线内阻的影响
一个重要的偏差是由于 PCB 走线引起的寄生电阻。 由于被测电阻在毫欧范围内具有非常小的值，任何串联的寄生内阻都可能导致测试结果出现明显偏差。 如右图所示，寄生内阻的等效电路图。
图 2
根据应用，Iload 可高达数百安培。 因此，即使是小值也会形成相当大的偏置电流。 该偏置电流将被放大器放大并出现在输出端。
由于铜内阻的温度系数相当高（约0.4%/°C），因此铜的值会随温度变化很大。 因此，当电路应用于温度变化范围较大的场景时，寄生内阻会因温度变化而产生相当大的偏差。 为此，为了减小偏置电流，我们应该尽量避免长走线。
值得一提的是，消除偏斜更有效的解决方案是差分放大器而不是推挽放大器。 推挽放大器测量节点 A 相对于地的电流。 但是，差分放大器有一个差分输入电流过大的原因是，可以测量通过它的电流。 如右图所示。
图 3
差分放大器的传递函数由下式给出：
由于差分放大器的差分输入测量其上的电流，因此 PCB 迹线的内阻不会产生偏移。 我们将在以后的文章中更详细地研究差分放大器配置。
4、阻焊层内阻的影响
另一个偏差来源是与被测电阻串联的点焊电阻。如右图所示
图 4
在此图中，负载电压沿绿色箭头方向从左向右流动。 垂直走线将内部分流电阻器连接到放大器输入端（In+ 和 In-）。 为此，放大器会检查 A 点和 B 点之间的电流差。测得电阻的实际值为 +。 点焊电阻值可以在几欧姆的范围内。
这种偏差在使用小型分流内部电阻器时尤其明显。 例如，采用0.5mΩ的分流内阻，Iload=20A，点焊电阻值的偏差可能高达22%。 要解决这个问题，放大器输入端应直接连接到分流内阻而不是载流走线。 右图为优化后的PCB布局。
图 5
在这些情况下，有两对 PCB 过孔：一对用于连接负载，一对用于连接放大器输入。 在高压应用中，放大器消耗的电压（Iamp）远大于Iload。 因此，上述布局可以减少阻焊层内阻引起的偏差。
为了更好地理解这些技术，让我们比较一下两种情况下的检测电流。 对于图 4 所示的布局，测得的电流为：
由于 Iamp 比 Iload 小得多，我们有
-公式1
这给出了 *Iload 的偏置电流。 图 5 中的布局如何？ 此布局的电路图如下所示：
图 6
请注意，电压 Iload 无需通过即可返回其源极。 测得的电流为：
在这些情况下，偏差为 *Iamp电流过大的原因是，它比公式 1 大得多，因为 Iamp 比 Iload 大得多。 这些电路结构通常被称为开尔文连接，这些连接被用于许多领域。 开尔文连接使我们能够准确检测阻抗。 图 7 显示了其他一些采用传感器技术的 PCB 布局。
图 7
5.噪声地平面
图 8 显示了另一个偏差源，即噪声接地层。
图 8
如前所述，因为普通放大器的推挽输入检测节点A相对于地的电流。 假设我们的电路板有一个专用的地平面。 我们可以在附近放置一个盲孔，以将 B 点保持在系统接地电位，并最大限度地减少 PCB 走线内阻的偏差。 另一个敏感节点是节点 C。任何耦合到节点 C 的信号都会被放大并出现在输出端。 为此，我们还需要将节点 C 保持在地电位。
然而，假设地面有噪声并且一些电压流过接地层，如图 8 所示。这将导致节点 B 和 C 之间存在电位差，而我们理想情况下希望它们处于相同电位。
假设节点 B 保持在地电位，与地的电流差将出现在节点 C 并在输出端引入偏置。 为防止此错误，建议使用将节点 B 和 C 彼此非常靠近的 PCB 布局。
图 9
上面的图 9 显示了一个考虑了上述注意事项的示例布局。 我们使用 SOT23 封装的运算放大器。
提醒一句：开尔文连接用于测量分流内部电阻器上的电流。 此外，R1 和 R1 的接地端需要彼此非常靠近。