設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)說明

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

設(shè)計(jì)說明

1. 直流共模抑制比 (CMRR) 性能取決于增益設(shè)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(yàn)證共模電壓是否處于放大器的線性輸入運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。共模電壓由 R₂、R₃ 構(gòu)成的電阻分壓器和總線電壓設(shè)置。根據(jù)電阻分壓器確定的共模電壓，此應(yīng)用可能不需要軌到軌輸入 (RRI) 放大器。
4. 不具有可擴(kuò)展至 V_cc 的共模電壓范圍的運(yùn)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(lián)放置的電容器會限制帶寬，提高穩(wěn)定性并有助于降低噪聲。
6. 在線性輸出運(yùn)行區(qū)域內(nèi)使用運(yùn)算放大器。通常在 A_OL 測試條件下指定線性輸出擺幅。

設(shè)計(jì)步驟

1. 下面提供了電路的完整傳遞函數(shù)。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{in}}\times {\mathrm{R}}_1\times \frac{{\mathrm{R}}_5}{{\mathrm{R}}_4} \\ \mathrm{Given} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4 \mathrm{and} {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5 \end{gathered}$$
2. 計(jì)算最大分流電阻。將最大分流電壓設(shè)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(jì)算增益以設(shè)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(jì)算增益設(shè)置電阻器以設(shè)置步驟 3 中計(jì)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(jì)算放大器的共模電壓以實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)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(yùn)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(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)，SBOMAV4 仿真文件，軟件支持

設(shè)計(jì)特色運(yùn)算放大器

設(shè)計(jì)備選運(yùn)算放大器