設計說明

該單電源電流檢測解決方案可以在分流電阻器上測量 ±50mA 至 ±10A 范圍內的電流信號。電流檢測放大器可以在 0V 至 75V 的寬共模電壓范圍內測量分流電阻器。全差分放大器 (FDA) 執行單端至差分轉換，并以 1MSPS 的最大數據速率驅動范圍為 ±5V 的 SAR ADC 差分輸入。可以調整“元件選擇”部分中的值，以允許不同的電流水平。

該電路實施方案適用于需要精確測量電壓的應用，例如電池維護系統、電池分析儀、電芯化成和測試設備、自動測試設備 以及無線基站中的遠程無線電單元 (RRU)。

設計說明

1. 根據輸入電流范圍和輸入共模電壓要求確定分流檢測電阻器值并選擇電流檢測放大器。元件選擇 部分中介紹了該內容。
2. 根據電流檢測放大器輸出、ADC 滿量程輸入范圍和全差分放大器的輸出擺幅規格確定全差分放大器增益。元件選擇 部分中介紹了該內容。
3. 選擇 COG 電容器以最大限度減少失真。
4. 使用 0.1% 20ppm/°C 薄膜電阻器或更佳的電阻器，以實現良好的精確度、低增益漂移并最大程度地降低失真。
5. TI 高精度實驗室培訓視頻系列介紹了進行誤差分析的方法。請查看以下鏈接，了解更大限度減少增益誤差、失調電壓誤差、漂移誤差和噪聲誤差的方法：誤差和噪聲。
6. TI 精密實驗室 - ADC 培訓視頻系列介紹了選擇電荷桶電路 R_filt 和 C_filt 的方法。此類元件值取決于放大器帶寬、數據轉換器采樣速率以及數據轉換器設計。此處展示的值能夠為本例中的放大器、增益設置和數據轉換器提供良好的趨穩和交流性能。如果修改了設計，請選擇其他 RC 濾波器。請參閱 SAR ADC 前端元件選擇簡介，了解如何選擇 RC 濾波器以實現最佳的趨穩和交流性能。

電流檢測電路的元件選擇

1. 選擇 Rsense 電阻器，并確定電流檢測放大器（雙向電流）的增益。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{sh}\left(\max \right)}}{{\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}}=\frac{100\mathrm{mV}}{10\mathrm{A}}=0.01\mathrm{\Omega }$
   $\pm {\mathrm{V}}_{\mathrm{out}\left(\mathrm{range}\right)}=\pm \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}}{2}=\pm \frac{5\mathrm{V}}{2}=\pm 2.5\mathrm{V}$
   ${\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}=\frac{\pm {\mathrm{V}}_{\mathrm{out}\left(\mathrm{range}\right)}}{{\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}}}=\frac{\pm 2.5\mathrm{V}}{10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega }}=25\mathrm{V}/\mathrm{V}$
2. 計算電流檢測放大器輸出范圍。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ina\_outmax}}={\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}\times ({\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}})+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}{2}=(20\mathrm{V}/\mathrm{V})\times (10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega })+\frac{5\mathrm{V}}{2}=4.5\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ina\_outmax}}={\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}\times ({\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}})+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}{2}=(20\mathrm{V}/\mathrm{V})\times (-10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega })+\frac{5\mathrm{V}}{2}=0.5\mathrm{V}$
3. 確定 ADC 滿量程輸入范圍和相關結果（第 3 步）。
   ${\mathrm{ADC}}_{\mathrm{Full}-\mathrm{Scale} \mathrm{Range}}=\pm {\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}=\pm 5\mathrm{V}$
4. 確定 FDA 線性運行的最大和最小輸出。
   $0.23\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<4.77\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{THS}4551 \mathrm{output} \mathrm{low}/\mathrm{high} \mathrm{specification} \mathrm{for} \mathrm{linear} \mathrm{operation}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}=4.77\mathrm{V}-0.23\mathrm{V}=4.54\mathrm{V} \mathrm{Differential} \max \mathrm{output}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_min}}=-{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}=-4.54\mathrm{V} \mathrm{Differential} \min \mathrm{output}$
5. 根據 ADC 滿量程輸入范圍、FDA 輸出范圍和相關結果（第 3 步）確定差分增益。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_min}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{INA\_outmax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{INA\_outmin}}}=\frac{4.54\mathrm{V}-(-4.54\mathrm{V})}{4.5\mathrm{V}-0.5\mathrm{V}}=2.77\mathrm{V}/\mathrm{V}$
   $\mathrm{Gain}\approx 2.15\mathrm{V}/\mathrm{V} \mathrm{for} \mathrm{margin}$
6. 確定用于實現差分增益的標準電阻器值。
   ${\mathrm{Gain}}_{\mathrm{FDA}}=\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}$
   $\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}=\frac{2.15\mathrm{k\Omega }}{1.00\mathrm{k\Omega }}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}$
7. 確定用于實現截止頻率的 R_fINA、C_fINA。
   ${\mathrm{C}}_{\mathrm{fINA}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{fINA}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 10\mathrm{kHz}\times 10\mathrm{k\Omega }}=1.591\mathrm{nF} \mathrm{or} 1.5\mathrm{nF} \mathrm{for} \mathrm{standard} \mathrm{value}$
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{fina}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{fINA}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 1.5\mathrm{nF}\times 10\mathrm{k\Omega }}=10.6\mathrm{kHz}$

全差分直流傳輸特性

下圖展示了 –10A 至 +10A 輸入的線性輸出響應。

交流傳輸特性

帶寬被仿真為 10.5kHz，增益為 32.66dB，這意味著 43V/V 的線性增益 (G = 20×2.15V/V)。

噪聲仿真

以下簡化噪聲計算方法用于進行粗略估算。由于電流檢測放大器 INA240 是主要的噪聲源，因此在噪聲估算中忽略了 OPA320 緩沖器和 THS4521 的噪聲貢獻。我們在此計算中忽略電阻器噪聲，因為在頻率大于 10.6kHz 的情況下此噪聲會衰減。

注意，計算結果與仿真結果匹配良好。如需了解放大器噪聲計算的詳細理論，請參閱噪聲 - 實驗室；如需了解數據轉換器噪聲，請參閱 ADC 噪聲測量、方法和參數。

瞬態 ADC 輸入穩定仿真

以下仿真顯示了趨穩至 10V 直流輸入信號（ADC 差分輸入信號 +4.3V）的情況。該類型的仿真表明已正確選擇采樣保持反沖電路。如需了解該主題的詳細理論，請參閱最終 SAR ADC 驅動器仿真。

設計中采用的器件：

主要文件鏈接

德州儀器 (TI)，ADS8900B 設計文件，軟件支持