设计说明

该单电源电流检测解决方案可以在分流电阻器上测量 ±50mA 至 ±10A 范围内的电流信号。电流检测放大器可以在 0V 至 75V 的宽共模电压范围内测量分流电阻器。全差分放大器 (FDA) 执行单端至差分转换，并以 1MSPS 的最大数据速率驱动范围为 ±5V 的 SAR ADC 差分输入。可以调整“元件选择”部分中的值，以允许不同的电流水平。

该电路实施方案适用于需要精确测量电压的应用，例如电池维护系统、电池分析仪、电芯化成和测试设备、自动测试设备 以及无线基站中的远程无线电单元 (RRU)。

设计说明

1. 根据输入电流范围和输入共模电压要求确定分流检测电阻器值并选择电流检测放大器。元件选择 部分中介绍了该内容。
2. 根据电流检测放大器输出、ADC 满量程输入范围和全差分放大器的输出摆幅规格确定全差分放大器增益。元件选择 部分中介绍了该内容。
3. 选择 COG 电容器以最大限度减少失真。
4. 使用 0.1% 20ppm/°C 薄膜电阻器或更佳的电阻器，以实现良好的精确度、低增益漂移并最大程度地降低失真。
5. TI 高精度实验室培训视频系列介绍了进行误差分析的方法。请查看以下链接，了解更大限度减少增益误差、失调电压误差、漂移误差和噪声误差的方法：误差和噪声。
6. TI 精密实验室 - ADC 培训视频系列介绍了选择电荷桶电路 R_filt 和 C_filt 的方法。此类元件值取决于放大器带宽、数据转换器采样速率以及数据转换器设计。此处展示的值能够为本例中的放大器、增益设置和数据转换器提供良好的趋稳和交流性能。如果修改了设计，请选择其他 RC 滤波器。请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介，了解如何选择 RC 滤波器以实现最佳的趋稳和交流性能。

电流检测电路的元件选择

1. 选择 Rsense 电阻器，并确定电流检测放大器（双向电流）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. 计算电流检测放大器输出范围。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ina\_outmax}}={\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}\times ({\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}})+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}{2}=(20\mathrm{V}/\mathrm{V})\times (10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega })+\frac{5\mathrm{V}}{2}=4.5\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ina\_outmax}}={\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}\times ({\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}})+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}{2}=(20\mathrm{V}/\mathrm{V})\times (-10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega })+\frac{5\mathrm{V}}{2}=0.5\mathrm{V}$
3. 确定 ADC 满量程输入范围和相关结果（第 3 步）。
   ${\mathrm{ADC}}_{\mathrm{Full}-\mathrm{Scale} \mathrm{Range}}=\pm {\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}=\pm 5\mathrm{V}$
4. 确定 FDA 线性运行的最大和最小输出。
   $0.23\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<4.77\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{THS}4551 \mathrm{output} \mathrm{low}/\mathrm{high} \mathrm{specification} \mathrm{for} \mathrm{linear} \mathrm{operation}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}=4.77\mathrm{V}-0.23\mathrm{V}=4.54\mathrm{V} \mathrm{Differential} \max \mathrm{output}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_min}}=-{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}=-4.54\mathrm{V} \mathrm{Differential} \min \mathrm{output}$
5. 根据 ADC 满量程输入范围、FDA 输出范围和相关结果（第 3 步）确定差分增益。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_min}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{INA\_outmax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{INA\_outmin}}}=\frac{4.54\mathrm{V}-(-4.54\mathrm{V})}{4.5\mathrm{V}-0.5\mathrm{V}}=2.77\mathrm{V}/\mathrm{V}$
   $\mathrm{Gain}\approx 2.15\mathrm{V}/\mathrm{V} \mathrm{for} \mathrm{margin}$
6. 确定用于实现差分增益的标准电阻器值。
   ${\mathrm{Gain}}_{\mathrm{FDA}}=\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}$
   $\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}=\frac{2.15\mathrm{k\Omega }}{1.00\mathrm{k\Omega }}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}$
7. 确定用于实现截止频率的 R_fINA、C_fINA。
   ${\mathrm{C}}_{\mathrm{fINA}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{fINA}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 10\mathrm{kHz}\times 10\mathrm{k\Omega }}=1.591\mathrm{nF} \mathrm{or} 1.5\mathrm{nF} \mathrm{for} \mathrm{standard} \mathrm{value}$
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{fina}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{fINA}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 1.5\mathrm{nF}\times 10\mathrm{k\Omega }}=10.6\mathrm{kHz}$

全差分直流传输特性

下图展示了 –10A 至 +10A 输入的线性输出响应。

交流传输特性

带宽被仿真为 10.5kHz，增益为 32.66dB，这意味着 43V/V 的线性增益 (G = 20×2.15V/V)。

噪声仿真

以下简化噪声计算方法用于进行粗略估算。由于电流检测放大器 INA240 是主要的噪声源，因此在噪声估算中忽略了 OPA320 缓冲器和 THS4521 的噪声贡献。我们在此计算中忽略电阻器噪声，因为在频率大于 10.6kHz 的情况下此噪声会衰减。

注意，计算结果与仿真结果匹配良好。如需了解放大器噪声计算的详细理论，请参阅噪声 - 实验室；如需了解数据转换器噪声，请参阅 ADC 噪声测量、方法和参数。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了趋稳至 10V 直流输入信号（ADC 差分输入信号 +4.3V）的情况。该类型的仿真表明已正确选择采样保持反冲电路。如需了解该主题的详细理论，请参阅最终 SAR ADC 驱动器仿真。

设计中采用的器件：

主要文件链接

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