設計目標

設計の説明

この単一電源、ローサイドの電流センシング ソリューションは、最大 1A の負荷電流を正確に検出し、50mV～4.9V の電圧に変換します。入力電流範囲と出力電圧範囲は必要に応じてスケーリングでき、大きなスイングに対応するため、より高電圧の電源も使用できます。

デザイン ノート

1. オペアンプの線形出力動作範囲内で使用してください。この範囲は通常、テスト条件に規定されています。
2. 同相電圧は入力電圧と同じです。
3. シャント抵抗と帰還抵抗の公差により、回路のゲイン誤差が決定されます。
4. 安定性の問題を最小限に抑えるため、アンプの出力に容量性の負荷を直接配置することは避けてください。
5. 出力が GND にスイングしたことでゼロ電流の検出を試みる場合、0V 付近の出力信号の線形性を維持するため、負電源として負のチャージ ポンプ (LM7705 など) をこの設計で使用できます。詳細については、「GND までの出力スイング回路を搭載した、単一電源、ローサイド、単方向の電流センシング ソリューション」アナログ エンジニア向け回路を参照してください。
6. 値の大きい抵抗を使用すると、回路の位相マージンが劣化し、回路に余計なノイズが発生することがあります。
7. この回路の小信号帯域幅は、回路のゲインと、アンプのゲイン帯域幅積 (GBP) で決まります。
8. R₃ と並列にコンデンサを追加すると、フィルタ処理を実現できます。また、R₃ と並列にコンデンサを追加することで、値の大きい抵抗を使用したときの回路の安定性も向上します。
9. オペアンプの線形動作領域、安定性、容量性負荷の駆動、ADCの 駆動、および帯域幅の詳細については、「関連資料」のセクションを参照してください。

設計手順

この回路の伝達関数を次に示します。

1. フルスケール シャント電圧を定義し、最大シャント抵抗を計算します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{at} {\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}=\text{1 }\mathrm{A}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{\text{250 }\mathrm{mV}}{\text{1 }\mathrm{A}}=\text{250 }\mathrm{m}\Omega$
2. 最大線形出力電圧に必要なゲインを計算します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}=\text{250 }\mathrm{mV} \mathrm{and} {\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}=\text{4.9 }\mathrm{V}$
   $\text{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iM}ax}}=\frac{\text{4.9 }\mathrm{V}}{\text{250 }\mathrm{mV}}=\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
3. R₂ と R₃ の標準抵抗値を選択します。

   アナログ技術者向けカリキュレータで、「Find Amplifier Gain」(アンプのゲインを求める) を使用し、ゲイン比 19.6 を入力して抵抗値を計算します。

   R₂ = 715Ω (0.1% 標準抵抗値)

   R₃ = 13.3kΩ (0.1% 標準抵抗値)

4. 出力のスイング ツー レール制限に達する前の最小入力電流を計算します。I_iMin は、正確に検出可能な最小入力電流を表します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}=\text{50 }\mathrm{mV}; {\mathrm{R}}_1=\text{250 }\mathrm{m}\Omega$
   $\mathrm{ }{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{\text{Gain}}=\frac{\text{50 }\mathrm{mV}}{\text{19.6 }\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=\text{2.55 }\mathrm{mV}$
   ${\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}{{\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{2.55 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{m}\Omega }=\text{10.2 }\mathrm{mA}$
5. フルスケール範囲誤差と相対誤差を計算します。V_os は、データシートに記載されている標準のオフセット電圧です。
   ${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{error}}=\left(\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{os}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}\right)\times 100=\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{247.45 }\mathrm{mV}}\right)\times 100=\text{0.121 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMax}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{os}}{{\text{V}}_{\text{iMax}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{250 }\mathrm{mV}}\right)\text{×100}=\text{0.12 }\%$
   ${\text{Relative Error at I}}_{\text{iMin}}=\mathrm{ }\left(\frac{{\text{V}}_{\text{os}}}{{\text{V}}_{\text{iMin}}}\right)\text{×100}=\mathrm{ }\left(\frac{\text{0.3 }\mathrm{mV}}{\text{2.5 m}\mathrm{V}}\right)\text{×100}=\text{12 }\%$
6. 十分な位相マージンを維持するため、ゲイン設定抵抗とデバイスの入力容量によって発生するゼロが、回路の帯域幅より大きいことを確認します。
   $\frac{\text{1}}{{\text{2×π×(C}}_{\text{cm}}{\text{+C}}_{\text{diff}}){\text{×(R}}_{\text{2}}{\text{||R}}_{\text{3}}\text{)}}\text{> }\frac{\text{GBP}}{\text{G}}$
   $\frac{\text{1}}{\text{2×π×(3pF+3pF)×}\left(\frac{\text{715 Ω×13.3} \text{kΩ}}{\text{715 Ω+13.3 kΩ}}\right)}\text{>}\mathrm{ }\frac{\text{10 }\mathrm{MHz}}{\text{19.6 }{\displaystyle \frac{V}{V}}}=\text{39.1 }\mathrm{MHz}\text{ > 510 }\mathrm{kHz}$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

AC シミュレーション結果

参考資料

テキサス・インスツルメンツ、『単一電源ローサイド単方向電流検出回路のシミュレーション』、SBOC523 SPICE シミュレーション ファイル

テキサス・インスツルメンツ、『0～1A、単一電源、ローサイドの電流センシング ソリューション』TIPD129 リファレンス デザイン

テキサス・インスツルメンツ、『10µA～10mA、ローサイド、単一電源の電流センシングのリファレンス デザイン』TIPD104 リファレンス デザイン

テキサス・インスツルメンツ、『GND までの出力スイング回路を搭載した、単一電源、ローサイド、単方向の電流センシング ソリューション』アナログ エンジニア向け回路

設計に使用されているオペアンプ

設計の代替オペアンプ

バッテリ駆動または消費電力が厳しい設計において、既に述べた元の設計目標以外に、システムの合計消費電力の低減が望まれる場合、次の部品を使用できます。