設計の説明

この単一電源電流センシング ソリューションは、シャント抵抗の両端の ±50mA～±10A の範囲の電流信号を測定できます。この電流センス アンプは、0V～75V の広い同相電圧範囲にわたってシャント抵抗を測定できます。完全差動アンプ (FDA) はシングルエンドから差動への変換を実行し、1MSPS のフル データレートでフルスケール ±5V の SAR ADC 差動入力を駆動します。「部品選定」の値を調整することで、さまざまな電流レベルを実現できます。

この回路は、バッテリ保守システム、バッテリ アナライザ、バッテリ セル形成と試験装置、自動試験装置、無線基地局のリモート無線ユニット (RRU) などの高精度電圧測定アプリケーションへの実装に適しています。

デザイン ノート

1. 入力電流範囲と入力同相電圧の要件に基づいて、シャント センス抵抗値を決定し電流センス アンプを選択します。これについては「部品選定」で説明します。
2. 電流センス アンプの出力、ADC の入力電圧範囲 (FSR)、完全差動アンプの出力振幅の仕様に基づいて、完全差動アンプのゲインを決定します。これについては「部品選定」で説明します。
3. 歪みを最小限に抑えるために、COGコンデンサを選定します。
4. 適切な精度と低ゲイン ドリフトを実現し、歪みを最小限に抑えるために、0.1% 20ppm/℃以下の薄膜抵抗を使用します。
5. 「TI プレシジョン ラボ」トレーニング ビデオ シリーズで、誤差解析の方法を説明しています。ゲイン、オフセット、ドリフト、およびノイズの誤差を最小限に抑える方法については、以下のリンク先をご覧ください。誤差とノイズ。
6. TI プレシジョン ラボ - ADC トレーニング ビデオ シリーズでは、電荷バケツ回路の R_filt と C_filt を選択する方法について解説しています。これらの部品の値はアンプの帯域幅、データ コンバータのサンプリング レート、データ コンバータの設計に依存します。ここに示す値は、この例のアンプ、ゲイン設定、データ コンバータで適切なセトリングと AC 性能を実現します。設計を変更する場合は、別の RC フィルタを選択します。最高水準のセトリングと AC 性能を実現する RC フィルタの選定方法については、『Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection』を参照してください。

電流センス回路の部品選定

1. Rsense 抵抗を選択し、電流センス アンプ (双方向電流) のゲインを求めます。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{sh}\left(\max \right)}}{{\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}}=\frac{100\mathrm{mV}}{10\mathrm{A}}=0.01\mathrm{\Omega }$
   $\pm {\mathrm{V}}_{\mathrm{out}\left(\mathrm{range}\right)}=\pm \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}}{2}=\pm \frac{5\mathrm{V}}{2}=\pm 2.5\mathrm{V}$
   ${\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}=\frac{\pm {\mathrm{V}}_{\mathrm{out}\left(\mathrm{range}\right)}}{{\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}}}=\frac{\pm 2.5\mathrm{V}}{10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega }}=25\mathrm{V}/\mathrm{V}$
2. 電流センス アンプの出力範囲を計算します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ina\_outmax}}={\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}\times ({\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}})+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}{2}=(20\mathrm{V}/\mathrm{V})\times (10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega })+\frac{5\mathrm{V}}{2}=4.5\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ina\_outmax}}={\mathrm{G}}_{\mathrm{INA}}\times ({\mathrm{l}}_{\mathrm{load}\left(\max \right)}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{sh}})+\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}{2}=(20\mathrm{V}/\mathrm{V})\times (-10\mathrm{A}\times 0.01\mathrm{\Omega })+\frac{5\mathrm{V}}{2}=0.5\mathrm{V}$
3. ADC のフルスケール入力電圧範囲 (FSR) を求めます。
   ${\mathrm{ADC}}_{\mathrm{Full}-\mathrm{Scale} \mathrm{Range}}=\pm {\mathrm{V}}_{\mathrm{REF}}=\pm 5\mathrm{V}$
4. FDA の線形動作の最大/最小出力電圧を求めます。
   $0.23\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<4.77\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{THS}4551 \mathrm{output} \mathrm{low}/\mathrm{high} \mathrm{specification} \mathrm{for} \mathrm{linear} \mathrm{operation}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}=4.77\mathrm{V}-0.23\mathrm{V}=4.54\mathrm{V} \mathrm{Differential} \max \mathrm{output}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_min}}=-{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}=-4.54\mathrm{V} \mathrm{Differential} \min \mathrm{output}$
5. ADC のフルスケール入力電圧範囲 (FSR)、FDA の出力電圧範囲、ステップ 3 の結果に基づいて差動ゲインを求めます。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_max}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{out\_FDA\_min}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{INA\_outmax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{INA\_outmin}}}=\frac{4.54\mathrm{V}-(-4.54\mathrm{V})}{4.5\mathrm{V}-0.5\mathrm{V}}=2.77\mathrm{V}/\mathrm{V}$
   $\mathrm{Gain}\approx 2.15\mathrm{V}/\mathrm{V} \mathrm{for} \mathrm{margin}$
6. 差動ゲインに応じて標準抵抗値を求めます。
   ${\mathrm{Gain}}_{\mathrm{FDA}}=\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}$
   $\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}=\frac{2.15\mathrm{k\Omega }}{1.00\mathrm{k\Omega }}=2.15\mathrm{V}/\mathrm{V}$
7. カットオフ周波数に応じて R_fINA、C_fINA を求めます。
   ${\mathrm{C}}_{\mathrm{fINA}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{fINA}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 10\mathrm{kHz}\times 10\mathrm{k\Omega }}=1.591\mathrm{nF} \mathrm{or} 1.5\mathrm{nF} \mathrm{for} \mathrm{standard} \mathrm{value}$
   ${\mathrm{f}}_{\mathrm{fina}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{fINA}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 1.5\mathrm{nF}\times 10\mathrm{k\Omega }}=10.6\mathrm{kHz}$

完全差動の DC 伝達特性

以下のグラフに、–10A～+10A の入力に対する出力の線形応答を示します。

AC 伝達特性

帯域幅のシミュレーション結果は 10.5kHz であり、ゲインは 32.66dB (線形ゲインは 43V/V (G = 20 × 2.15V/V)) です。

ノイズ シミュレーション

以下の簡易なノイズ計算は概算用です。電流センス アンプ INA240 が主要なノイズ源であるため、OPA320 バッファと THS4521 によるノイズは以下のノイズの概算では除外します。抵抗のノイズは 10.6kHz を超える周波数で減衰するため、この計算では無視します。

計算結果とシミュレーション結果はよく一致しています。アンプ ノイズの計算の詳細な理論についてはノイズ - ラボを、データ コンバータのノイズについては『ADC noise measurement, methods and parameters』を参照してください。

ADC 過渡入力電圧セトリング シミュレーション

以下のシミュレーションに、DC 10A の入力信号のセトリングを示します (ADC 差動入力信号 +4.3V)。このようなシミュレーションは、サンプル/ホールド キックバック回路が適正に選定されていることを示します。これに関する詳しい理論については、『Final SAR ADC Drive Simulations』を参照してください。

使用デバイス：

主要なファイルへのリンク

テキサス・インスツルメンツ、ADS8900B 設計ファイル、ソフトウェア サポート