介紹
精準量測高側(high-side)微安培電流需用到小阻值感測電阻，以及一個低偏移電壓放大器。LTC2063 零漂移放大器的最大輸入偏移僅5 µV，消耗電流僅1.4 µA，這些屬性使它適合用在超低功耗的精準高側電流感測電路，如圖1所示。
這個電路僅用2.3 µA 至280 µA的供電電流，在100 µA 到250 mA 的動態範圍之間感測電流。LTC2063的超低偏移讓這個電路可搭配僅100 mΩ的分流電阻，藉以將最大分流電壓限制在僅25 mV。這個設計可把分流電阻的功耗降至最低，並讓負載可用的功率增到最大。 LTC2063的軌對軌輸入特性，讓這個電路僅需極小的負載電流就能運行，這種情況下輸入共模幾乎都在電源軌。LTC2063內建的電磁干擾濾波器能在充斥干擾源的環境中提供有效防護。
在特定感測電流下，這個電路的電壓輸出為:
這個電路僅用2.3 µA 至280 µA的供電電流，在100 µA 到250 mA 的動態範圍之間感測電流。LTC2063的超低偏移讓這個電路可搭配僅100 mΩ的分流電阻，藉以將最大分流電壓限制在僅25 mV。這個設計可把分流電阻的功耗降至最低，並讓負載可用的功率增到最大。 LTC2063的軌對軌輸入特性，讓這個電路僅需極小的負載電流就能運行，這種情況下輸入共模幾乎都在電源軌。LTC2063內建的電磁干擾濾波器能在充斥干擾源的環境中提供有效防護。
在特定感測電流下，這個電路的電壓輸出為:
零點(Zero Point)
電流感測解決方案有一項關鍵規格就是零點(zero point)，或輸入端上的等效誤差電流，當沒有感測電流時所產生的輸出。零點通常取決於放大器的輸入偏移電壓除以RSENSE。LTC2063的低輸入偏移電壓通常為 1 µV，最大值為5 µV，低輸入偏置(bias)與偏移(offset)電流為1 pA 至3 pA，因此零點輸入參考誤差電流僅為10 µA (1 µV/0.1 Ω) ，或是 50 µA (5 µV/0.1 Ω) 最大值。如此低的誤差讓感測電路在額定範圍(100毫安培)一直到最低電流都維持線性，不會因解析度減低而使曲線斜率拉平，如圖2所示。結果是輸入電流與輸出電壓的關係圖，在整個電流感測範圍內都維持線性。
電流感測解決方案有一項關鍵規格就是零點(zero point)，或輸入端上的等效誤差電流，當沒有感測電流時所產生的輸出。零點通常取決於放大器的輸入偏移電壓除以RSENSE。LTC2063的低輸入偏移電壓通常為 1 µV，最大值為5 µV，低輸入偏置(bias)與偏移(offset)電流為1 pA 至3 pA，因此零點輸入參考誤差電流僅為10 µA (1 µV/0.1 Ω) ，或是 50 µA (5 µV/0.1 Ω) 最大值。如此低的誤差讓感測電路在額定範圍(100毫安培)一直到最低電流都維持線性，不會因解析度減低而使曲線斜率拉平，如圖2所示。結果是輸入電流與輸出電壓的關係圖，在整個電流感測範圍內都維持線性。
圖1. 精準高側電流感測電路，採用LTC2063零漂移放大器
圖2. 一直到最下方的100 µA ISENSE整段線的斜率維持固定
另一個零點誤差來源是輸出端PMOS的零閘電壓汲極電流，或IDSS，這個寄生電流出現在非零 VDS ，其間 PMOS 是關斷 (|VGS| = 0)狀態。MOSFET若有高 IDSS 漏電流，則會產生非零的 VOUT 正電壓而沒有 ISENSE。
另一個零點誤差來源是輸出端PMOS的零閘電壓汲極電流，或IDSS，這個寄生電流出現在非零 VDS ，其間 PMOS 是關斷 (|VGS| = 0)狀態。MOSFET若有高 IDSS 漏電流，則會產生非零的 VOUT 正電壓而沒有 ISENSE。
這個設計案中用的電晶體是Infineon公司的BSP322P，在|VDS| = 100 V時其上界 IDSS為1 µA。在這個應用中，室溫環境下BSP322P 的IDSS 一般在|VDS| = 100 V時為1 µA，當VDS = –7.6 V時，IDSS 僅為0.2 Na，產生僅1 µV誤差輸出，或在量測0 A 輸入電流時為100 nA等效輸入電流誤差。
架構
LT1389-4.096 參考元件，加上自舉式驅動電路，內含M2、R2、以及D1，構成一個極低功耗的隔離式3V供電軌(4.096 V + M2的VTH ，通常為–1 V)，可讓LTC2063 不會看到絕對最大供電電壓5.5V。雖然串聯電阻足以應付偏壓電流，但使用M2電晶體後，不僅整體供電電壓可以更高，還能將供電高端部分的消耗電流限制在僅280 毫安培。
精準度
LTC2063的輸入偏移電壓構成一個固定的輸入參考電流誤差，一般為10 µA。在250 毫安培全輸入範圍中，這樣的偏移僅會產生0.004%的誤差。在低端部分，100毫安培中的10 毫安培，代表10%的誤差。由於偏移為固定不變，因此可以藉由校正來消除。圖3顯示LTC2063的總偏移、不匹配的寄生熱電耦、以及任何寄生串聯輸入電阻，其值僅2µV
圖3. 在整個ISENSE 電流範圍，4.5伏最低供電壓下，VIN 轉換至 VOUT 電壓。輸出偏移200.7 Μv，除以100.05 V/V電壓增益，得到RTI 輸入偏移為2 μV。
根據圖3顯示增益，100.05 V/V 為1.28 V/V，這要高於預期的增益值，原因來自ROUT 與RIN 的實際值，或4.978 kΩ/50.4 Ω = 98.77 V/V。這個誤差可能來自LTC2063的輸入端與RSENSE之間出現大約500 mΩ 的串聯寄生電阻。
根據圖3顯示增益，100.05 V/V 為1.28 V/V，這要高於預期的增益值，原因來自ROUT 與RIN 的實際值，或4.978 kΩ/50.4 Ω = 98.77 V/V。這個誤差可能來自LTC2063的輸入端與RSENSE之間出現大約500 mΩ 的串聯寄生電阻。
這個電路輸出部分其不確定性的主要來源就是雜訊，因此要縮減雜訊頻寬以及綜效雜訊，關鍵步驟就是對大型寄生電容進行濾波。當使用一個1.5 Hz的輸出濾波器時，LTC2063會增加約 2 µV 的p-p低頻輸入參考雜訊。若是把輸出盡可能平均分散至各時間點，即可進一步降低因雜訊造成的誤差。
這個電流感測電路的其他誤差來源還包括在LTC2063輸入端與RSENSE 串聯的電路板寄生電阻; 增益調節電阻RIN 與ROUT的阻值公差; 增益調節電阻之間溫度係數的不匹配; 以及寄生熱電耦在運算放大器輸入端產生的電壓誤差。前三個誤差來源可利用Kelvin型4針腳感測電阻連至RSENSE 來降低，以及使用擁有相近或較低溫度係數的0.1%電阻，置於RIN 與ROUT之間的關鍵增益調節線路上。為了抵銷掉運算放大器輸入端的寄生熱電耦，R1用的金屬端子應該與RIN一致。在輸入端處，應盡可能避免非對稱的溫度梯度。
在整個2.5V輸出範圍中，這段章節討論的所有誤差來源如圖4所示。
圖4. 誤差百分比在整個讀數範圍維持在1.4%以下
供電電流
供電電流
LT1389-4.096與LTC2063在連上最低VSUPPLY 電壓與ISENSE 電流（4.5 V 與100 µA)時，要求的最低供電電流為2.3 µA，而在連上最大VSUPPLY 與 ISENSE (90 V 與250 mA)時，要求的最低供電電流則為280 µA，如圖5所示。除了主要元件消耗的電流外，M1的輸出電流也是由VSUPPLY 供應，它和輸出電壓成正比，範圍從1.0 mV 輸出 (100 µA ISENSE) 的200 nA，一直到2.5 V 輸出 (250 mA ISENSE)的500 µA。因此，除了2.5 µA 到780 µA的ISENSE 外，ROUT 也會設在5 kΩ藉以達到合理的ADC驅動值。
圖5. 供電電流與供電電壓同步增加，但永遠不會超過280 μA
輸入電壓範圍
在這個架構中，最高供電的上限為|VDS|，也是PMOS輸出能承受的數值。BSP322P的額定電壓為100 V，因此90 V是適合的工作電壓上限。
輸出範圍
由於這個設計能驅動一個5 kΩ負載，因此它適合驅動許多ADC元件。輸出電壓範圍為0至2.5V。此外因為LTC2063擁有軌對軌輸出，故閘極驅動上限取決於LTC2063的餘裕空間。在這個設計中一般都是3V，來源是LT1389-4.096的 4.096 V 再加上M2的-1V VTH 電壓。
輸入電壓範圍
在這個架構中，最高供電的上限為|VDS|，也是PMOS輸出能承受的數值。BSP322P的額定電壓為100 V，因此90 V是適合的工作電壓上限。
輸出範圍
由於這個設計能驅動一個5 kΩ負載，因此它適合驅動許多ADC元件。輸出電壓範圍為0至2.5V。此外因為LTC2063擁有軌對軌輸出，故閘極驅動上限取決於LTC2063的餘裕空間。在這個設計中一般都是3V，來源是LT1389-4.096的 4.096 V 再加上M2的-1V VTH 電壓。
由於這個電路的輸出是一個電流，而不是電壓，因此接地或線路偏移並不會影響精準度。於是輸出端PMOS M1 與ROUT之間使用的冗長導線，允許RSENSE 能置於靠近要感測的電流附近，而ROUT 則可靠近ADC以及其他後續的訊號鏈階段。冗長導線的缺點則是提高電磁干擾的機率。ROUT 電阻的100 nF C3能將有害的電磁干擾在抵達下個階段輸入端之前有效阻隔。
速度限制
由於LTC2063的增益頻寬乘積為20 kHz，因此建議採用這個電路來量測速度低於20Hz的訊號。與負載並聯的22 µF C2能濾除1.5 Hz的輸出雜訊，藉以改進精準度，以及保護後續階段免於遭遇突然的電流突波。這種濾波機制的代價則是安定時間比較長，尤其是在輸入電流範圍的最低端附近特別顯著。
總結
LTC2063超低的輸入偏移電壓、低IOFFSET 與IBIAS電流、以及軌對軌輸入等特性，能在100 µA 到250 mA的整個電流範圍提供精準的電流量測能力。由於支援2 µA最大供電電流，在大多數工作條件範圍下電路能在遠低於280 毫安培的供電電流下運行。另外再加上 LTC2063對供電電壓的要求甚低，因此可從參考電壓線路的輸送低電流即可為其供電，甚至還有餘裕空間。
總結
LTC2063超低的輸入偏移電壓、低IOFFSET 與IBIAS電流、以及軌對軌輸入等特性，能在100 µA 到250 mA的整個電流範圍提供精準的電流量測能力。由於支援2 µA最大供電電流，在大多數工作條件範圍下電路能在遠低於280 毫安培的供電電流下運行。另外再加上 LTC2063對供電電壓的要求甚低，因此可從參考電壓線路的輸送低電流即可為其供電，甚至還有餘裕空間。
