設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說(shuō)明

此單電源低側(cè)電流檢測(cè)方法可以準(zhǔn)確地檢測(cè)最大為 1A 的負(fù)載電流，并將其轉(zhuǎn)換為 50mV 至 4.9V 的電壓?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)節(jié)輸入電流范圍和輸出電壓范圍，并且可以使用更大的電源來(lái)適應(yīng)更大的擺幅。

設(shè)計(jì)說(shuō)明

1. 運(yùn)算放大器工作在線性輸出范圍內(nèi)，這個(gè)參數(shù)通常在芯片手冊(cè)的測(cè)試條件中給出。
2. 共模電壓等于輸入電壓。
3. 分流電阻器和反饋電阻器的容差將決定電路的增益誤差。
4. 避免將容性負(fù)載直接放置在放大器的輸出端，以更大限度地減少穩(wěn)定性問題。
5. 如果嘗試使用可擺動(dòng)至 GND 的輸出擺幅檢測(cè)零電流，可在此設(shè)計(jì)中使用負(fù)電荷泵（如 LM7705）作為負(fù)電源，以保持接近 0V 的輸出信號(hào)的線性。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱具有輸出擺幅至 GND 電路的單電源低側(cè)單向電流檢測(cè)解決方案 模擬工程師電路。
6. 使用高電阻值電阻器可能會(huì)減小電路的相位裕度并在電路中產(chǎn)生額外的噪聲。
7. 此電路的小信號(hào)帶寬取決于電路的增益和放大器的增益帶寬積 (GBP)。
8. 可以通過(guò)添加一個(gè)與 R₃ 并聯(lián)的電容器來(lái)完成濾波。如果使用了高阻值電阻器，那么添加一個(gè)與 R₃ 并聯(lián)的電容器將提高電路的穩(wěn)定性。
9. 有關(guān)運(yùn)算放大器線性運(yùn)行區(qū)域、穩(wěn)定性、容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng) ADC 和帶寬的更多信息，請(qǐng)參閱“設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)”部分。

設(shè)計(jì)步驟

下面給出了該電路的傳遞函數(shù)。

1. 定義滿量程分流電壓并計(jì)算最大分流電阻。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{at} {\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}=\text{1 }\mathrm{A}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{\text{250 }\mathrm{mV}}{\text{1 }\mathrm{A}}=\text{250 }\mathrm{m}?$
2. 計(jì)算最大線性輸出電壓所需的增益。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{and} {\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}=\text{4.9 }\mathrm{V}$
   $\text{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iM}ax}}=\frac{\text{4.9 }\mathrm{V}}{\text{250 }\mathrm{mV}}=\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
3. 為 R₂ 和 R₃ 選擇標(biāo)準(zhǔn)值。

   在模擬工程師的計(jì)算器中，請(qǐng)使用“查找放大器增益”并通過(guò)輸入增益比率 19.6 來(lái)獲取電阻器值。

   R₂ = 715Ω（0.1% 標(biāo)準(zhǔn)值）

   R₃ = 13.3kΩ（0.1% 標(biāo)準(zhǔn)值）

4. 計(jì)算達(dá)到輸出擺幅至軌限制前的最小輸入電流。I_iMin 表示可準(zhǔn)確檢測(cè)到的最小輸入電流。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}=\text{50 }\mathrm{mV}; {\mathrm{R}}_1=\text{250 }\mathrm{m}?$
   $\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{\text{Gain}}=\frac{\text{50 }\mathrm{mV}}{\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=\text{2.55 }\mathrm{mV}$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}{{\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{2.55 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{m}?}=\text{10.2 }\mathrm{mA}$
5. 計(jì)算滿量程范圍誤差和相對(duì)誤差。V_os 是數(shù)據(jù)表中的典型失調(diào)電壓。
   ${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{error}}=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{os}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}\right)\times 100=\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{247.45 }\mathrm{mV}}\right)\times 100=\text{0.121 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMax}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{os}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{mV}}\right)\text{×100}=\text{0.12 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMin}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{\text{os}}}{{\text{V}}_{\text{iMin}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{2.5 m}\mathrm{V}}\right)\text{×100}=\text{12 }\%$
6. 為了保持足夠的相位裕度，應(yīng)確認(rèn)器件的增益設(shè)置電阻器和輸入電容生成的零點(diǎn)大于電路的帶寬
   $\frac{\text{1}}{{\text{2×π×(C}}_{\text{cm}}{\text{+C}}_{\text{diff}}){\text{×(R}}_{\text{2}}{\text{||R}}_{\text{3}}\text{)}}\text{> }\frac{\text{GBP}}{\text{G}}$
   $\frac{\text{1}}{\text{2×π×(3pF+3pF)×}\left(\frac{\text{715 ?×13.3} \text{k?}}{\text{715 ?+13.3 k?}}\right)}\text{>}\mathrm{ }\frac{\text{10 }\mathrm{MHz}}{\text{19.6 }{\displaystyle \frac{V}{V}}}=\text{39.1 }\mathrm{MHz}\text{ > 510 }\mathrm{kHz}$

設(shè)計(jì)仿真

直流仿真結(jié)果

交流仿真結(jié)果

參考資料

德州儀器 (TI)，單電源低側(cè)單向電流檢測(cè)電路仿真，SBOC523 SPICE 仿真文件

德州儀器 (TI)，0A-1A 單電源低側(cè)電流檢測(cè)解決方案，TIPD129 參考設(shè)計(jì)

德州儀器 (TI)，適用于 10μA 至 10mA 低側(cè)單電源的電流檢測(cè)參考設(shè)計(jì)，TIPD104 參考設(shè)計(jì)

德州儀器 (TI)，具有輸出擺幅至 GND 電路的單電源低側(cè)單向電流檢測(cè)解決方案，模擬工程師電路

設(shè)計(jì)特色運(yùn)算放大器

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器

對(duì)于先前所述的原始設(shè)計(jì)目標(biāo)以外的電池供電或功率敏感型設(shè)計(jì)，需要降低系統(tǒng)總功耗。