設計目標

設計の説明

この単一電源、ハイサイド、低コストの電流センシング方法は、50mA～1A の負荷電流を検出し、0.25V～5V の出力電圧に変換します。ハイサイドのセンシングにより、システムはグランドへの短絡を識別でき、負荷のグランドを動揺させません。

デザイン ノート

1. DC 同相除去率 (CMRR) 性能は、ゲイン設定抵抗 R₂～R₅ のマッチングに依存します。
2. シャント抵抗を増やすと、消費電力も増加します。
3. 同相電圧がアンプの線形入力動作領域内であることを確認します。同相電圧は、R₂、R₃、およびバス電圧で構成される抵抗分圧器で設定します。このアプリケーションでは、抵抗分圧器で決定される同相電圧によっては、レール ツー レール入力 (RRI) アンプが必要でない場合もあります。
4. 低ゲインまたは減衰構成では、同相電圧範囲が V_cc に達しないオペアンプを使用できます。
5. 帰還抵抗と並列にコンデンサを配置することで、帯域幅が制限され、安定性が向上し、ノイズ低減に役立ちます。
6. オペアンプは線形出力動作領域で使用します。線形出力スイングは通常、A_OL テスト条件に規定されています。

設計手順

1. この回路の完全な伝達関数は次のとおりです。
   $$\begin{gathered} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{in}}\times {\mathrm{R}}_1\times \frac{{\mathrm{R}}_5}{{\mathrm{R}}_4} \\ \mathrm{Given} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4 \mathrm{and} {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5 \end{gathered}$$
2. 最大シャント抵抗を計算します。シャントの両端の最大電圧を 100mV に設定します。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{100\mathrm{mV}}{1\mathrm{A}}=100\mathrm{m}\mathrm{\Omega }$
3. 最大出力スイング範囲を設定するため、ゲインを計算します。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{(\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMin}})\times {\mathrm{R}}_1}=\frac{\text{5}\mathrm{V}-\text{0.25}\mathrm{V}}{(\text{1}\mathrm{A}-\text{0.05}\mathrm{A})\times \text{100}\mathrm{m}\mathrm{\Omega }}=50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
4. 手順 3 で計算したゲインを設定するため、ゲイン設定抵抗の値を計算します。
   $$\begin{gathered} \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_4=1.01\mathrm{k}\Omega (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \\ {\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_5={\mathrm{R}}_2\times \mathrm{Gain}=1.01\mathrm{k}\Omega \times 50\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}=50.5\mathrm{k}\Omega (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
5. 線形動作を確立するように、アンプの同相電圧を計算します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{CC}}\times \frac{{\mathrm{R}}_3}{{\mathrm{R}}_2+{\mathrm{R}}_3}=36\mathrm{V}\times \frac{\text{50.5}\mathrm{k}}{\text{1.01}\mathrm{k}+\text{50.5}\mathrm{k}}=35.294\mathrm{V}$
6. 高域カットオフ周波数 (f_H) は、回路の非反転ゲイン (ノイズ ゲイン) と、オペアンプのゲイン帯域幅 (GBW) により設定されます。
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}=\frac{\text{GBW }}{\text{Noise Gain}}=\frac{10\mathrm{MHz}}{51\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}}=196.1 \mathrm{kHz}$

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：

テキサス・インスツルメンツ、『SBOMAV4 シミュレーション ファイル』、ソフトウェア サポート

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