設計目標

設計說明

此單電源高側低成本電流檢測方法可以檢測 50mA 和 1A 之間的負載電流，并將其轉換為 0.25V 至 5V 的輸出電壓。高側感應使系統能夠識別接地短路，并且不會對負載造成接地干擾。

設計說明

1. 直流共模抑制比 (CMRR) 性能取決于增益設置電阻器 R₂-R₅ 的匹配情況。
2. 增大分流電阻器的值會增加功耗。
3. 驗證共模電壓是否處于放大器的線性輸入運行區域內。共模電壓由 R₂、R₃ 構成的電阻分壓器和總線電壓設置。根據電阻分壓器確定的共模電壓，此應用可能不需要軌到軌輸入 (RRI) 放大器。
4. 不具有可擴展至 V_cc 的共模電壓范圍的運算放大器可用在低增益或衰減配置中。
5. 與反饋電阻器并聯放置的電容器會限制帶寬，提高穩定性并有助于降低噪聲。
6. 在線性輸出運行區域內使用運算放大器。通常在 A_OL 測試條件下指定線性輸出擺幅。

設計步驟

1. 下面提供了電路的完整傳遞函數。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{in}}\times {\mathrm{R}}_1\times \frac{{\mathrm{R}}_5}{{\mathrm{R}}_4} \\ \mathrm{Given} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4 \mathrm{and} {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5 \end{gathered}$$
2. 計算最大分流電阻。將最大分流電壓設置為 100mV。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{100\mathrm{mV}}{1\mathrm{A}}=100\mathrm{m}\mathrm{?}$
3. 計算增益以設置最大輸出擺幅范圍。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{(\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}})\times {\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{5}\mathrm{V}-\text{0.25}\mathrm{V}}{(\text{1}\mathrm{A}-\text{0.05}\mathrm{A})\times \text{100}\mathrm{m}\mathrm{?}}=50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. 計算增益設置電阻器以設置步驟 3 中計算的增益。
   $$\begin{gathered} \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4=1.01\mathrm{k}? (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \\ {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_2\times \mathrm{Gain}=1.01\mathrm{k}?\times 50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=50.5\mathrm{k}?(\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
5. 計算放大器的共模電壓以實現線性運行。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{CC}}\times \frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}=36\mathrm{V}\times \frac{\text{50.5}\mathrm{k}}{\text{1.01}\mathrm{k}+\text{50.5}\mathrm{k}}=35.294\mathrm{V}$
6. 截止頻率上限 (f_H) 取決于此電路的同相增益（噪聲增益）和運算放大器的增益帶寬 (GBW)。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}=\frac{\text{GBW }}{\text{Noise Gain}}=\frac{10\mathrm{MHz}}{51\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=196.1 \mathrm{kHz}$

設計仿真

直流仿真結果

交流仿真結果

參考資料：

德州儀器 (TI)，SBOMAV4 仿真文件，軟件支持

設計特色運算放大器

設計備選運算放大器