在介绍 PCB 布局对精度的影响之前，必须了解输入偏置电流规格 （Ib）。输入偏置电流定义为“输出处于指定电平时流入两个输入端子的电流平均值”。[1] 理想情况下，此规格为 0A，但工艺变化和设计限制导致其为非零值。关于电流感应，该规范有两个含义。首先，当试图准确感应“小”电流时，Ib 变得很重要。例如，尝试使用 Ib=35uA 的器件测量 100uA 的系统负载电流，将在测量中产生很大的不确定性。其次，两个输入信号电流（或输入失调电流，Ios）之间的不良匹配可能会在器件的输入端感应和/或加剧差分电压。后者将在本文中讨论。
理论
本系列的第 3 部分讨论了 Vos、CMRR 和 PSRR 等器件规格的精度。还提出并讨论了一个类似于下图所示的表格。差异包括添加 2 行和 1 列。由于 PCB 布局 （Vos-pcb） 而添加的 Ib 和偏移电压行。还添加了一个列，用于指定每个错误源是否在设计器的控制范围内。
请注意，设计器控制范围内的错误源是 Vos-pcb。这是因为所有其他误差源都是器件规格，除了选择具有改进规格的不同器件之外，无法实际控制这些误差。Vos-pcb 可以通过适当的 PCB 布局来化。不幸的是，经常会出现这样的情况：选择了适当的器件，但 PCB 布局会导致不可接受的额外误差量。
示例设计
为了观察 PCB 布局对电流传感解决方案的影响，我们创建一个示例设计。假设解决方案要求如下：
* 共模电压 （Vcm）：70V
* 差分放大器 （Vs） 的可用电源：5V
* 负载电流范围：5A
*单向
* 高精度
由于共模电压相当大，并且大于差分放大器的电源电压，因此应选择分流监视器 （CSM）。INA282（增益 = 50V/V）CSM 满足上述要求，因为它可以适应高达 80V 的共模电压，在 2.7V 至 18V 的电源电压下工作，可用于双向或单向应用，并且具有仅为 70μV（值）的输入偏移电压 （Vos） 规格。
为了正确确定分流电阻器的尺寸，我们必须检查器件的输入和输出规格。当电源电压为 5V 时，INA282 的输出可在 40mV 至 4.6V 范围内摆动。将输出范围除以器件的增益 （50V/V） 可得出输入范围。这相当于 0.8mV 至 92mV 的输入电压范围。
鉴于我们的负载电流为 5A （Iload-min） 至 10A （Iload-max），分流电阻器必须小于 9.2mΩ （92mV/Iload-max） 且大于 0.16mΩ （0.8mV/Iload-min）。如果分流电阻器的功率耗散是可以容忍的，则建议使用更大值的分流电阻器以提高精度。因此，我们将选择 8mO 的分流电阻器。
图 1 描述了用于验证设计的 TINA-TI 仿真电路。图 2 显示了 INA282 的输出与负载电流的关系。
现在我们有一个工作示例，让我们看看 PCB 布局对这个解决方案的准确性的影响。图 3 描述了与图 1 相同的电路，但增加了寄生电阻（Rps、Rpp 和 Rpn）。它还区分分流电压 （Vshunt） 和感应电压 （Vsense）。Vsense 定义为器件 input 引脚上的差分电压。理想情况下，Vshunt=Vsense。然而，由于 PCB 寄生效应，情况并非如此。因此，V'sense 代表非理想的感应电压。
与我们之前的精度讨论类似
其中 Vos-pcb 定义为：
我们还可以根据寄生电阻和偏置电流推导出 V'sense 方程。
根据基尔霍夫现行定律 （KCL）
根据 Kirchoff 电压定律 （KVL） 和无源符号约定
求解 V'sense 得到：
公式 6 告诉我们，任何与分流电阻器 Rps 串联的寄生电阻都会感应出一个误差，该误差将在电流感应器件的输出端观察到。它还表明，与电流感应器件的输入端 Rpp 和 Rpn 串联的寄生电阻可能会也可能不会引起误差。如果 Ibp*Rpp=Ibn*Rpn，则不会观察到任何错误。任何偏离此关系的行为都会引起错误。
Rpn 和 Rpp 错误
虽然系统设计人员无法控制输入偏置电流，但他们可以尝试匹配输入走线的电阻。未能平衡输入走线电阻很可能会被视为错误。
例如，长度为 350mils、宽度为 10mils 的 1 盎司铜输入走线的阻抗约为 17mO。
但是，如果无法平衡 input trace，则可能会产生更严重的错误。让我们重复计算，但使用不平衡的跟踪。假设其中一条迹线的长度为 275mils，而另一条迹线的长度为 350mils。仿真结果如表 3 所示。
我们看到 75mil 不平衡的误差增加了 35.7%。这里要提到的另外两个主题包括温度变化和通孔。由于温度波动，这些误差会进一步增加。此外，将电流感应器件和分流电阻器放置在电路板的相对两侧需要使用过孔。过孔可能具有显着的寄生阻抗，这些阻抗会随着制造而变化很大。
虽然误差很小，但通过故意不平衡输入走线来消除不平衡输入偏置电流的影响的想法既不实用也不推荐。输入偏置电流的差异会因器件、晶圆和批次而异。它还可以根据共模电压和电源电压等设计参数而变化。
因此，建议将电流感应器件和分流电阻器放置在 PCB 板的同一侧，并使用平衡的短输入走线。
RPS 错误
与分流电阻器串联的寄生走线电阻会引起测量误差。在这种情况下，寄生电阻位于大电流路径中。因此，不需要大量的寄生走线电阻即可引起重大误差。
例如，一条长 10mils、宽 25mils 的 1 盎司铜走线的阻抗约为 193μΩ。虽然这似乎并不重要，但请记住它可以承载负载电流 （10A）。表 4 总结了这种输入走线对图 3 中负载电流为 10A 的电路的影响。
使用理想的分流电压值 80mV，我们使用公式 1 和 2 计算 Rps 引起的误差，如下所示：
公式 9 描述了去除与分流电阻器串联的所有寄生电阻的重要性。这可以通过在分流电阻器和电流感应器件之间实现开尔文连接来实现，这将在 Layout Recommendations 部分中讨论。
虽然这个误差显然比 Rpp 和 Rpn 引起的误差更大，但可以进行额外的观察：可以在电流感应设备的输入引脚处测量比分流电阻器两端的电压更大的电压。因此，在器件的输出端会观察到更大的电压。
在对电流检测解决方案进行故障排除时，这一观察结果非常重要。通常，人们会测量分流电阻器两端的电压，将其乘以器件的标称增益，然后将结果与器件的测量输出进行比较。在这种情况下，理想的分流电压为 80mV，器件的标称增益为 50V/V，仿真输出为 4.084V。分流电压和标称增益的乘积为 4V。84mV 的差异 （或 2.1% 的误差） 可能导致人们认为该器件的增益误差不在规格范围内。
然而，器件本身引入的误差可以使用公式 10 和 11 计算： 使用 V'sense 进行此计算消除了由 PCB 布局引起的任何误差，仅器件本身引入的误差。
我们看到，当使用 V'sense 进行计算时，器件贡献的误差实际上是 0.3%，这明显小于使用 Vshunt 时。在对电流检测解决方案进行故障排除时，必须测量器件输入引脚上的电压，而不是分流电压。
布局建议 已经表明，任何与分流电阻器串联的寄生电阻都会引起误差。因此，建议设计人员在分流电阻器和电流感应器件之间实现开尔文连接。非 Kelvin 和 Kelvin 连接布局分别如图 4 和图 5 所示。
如前所述，建议 input traces 简短且均衡。图 6 描述了一个布局，即 Rpp>Rpn.
总结 寄生电阻与分流电阻器串联或与电流传感器件的输入引脚串联都会引起测量误差。为了限度地减少此类误差，建议对分流电阻器进行开尔文连接，并使用短而平衡的走线进行输入连接。，在计算设备误差时应小心。建议在器件的引脚处进行所有与器件相关的测量，而不是在其他方便的位置进行，例如测试点或跨分流电阻器本身。
