在TI E2E 論壇上為客戶提供支持時，我遇到的最常見的問題就是直流感應(yīng)。直流感應(yīng)方法很簡單，就是安放一個與負載（分流電阻器）串聯(lián)的電阻器，然后測量整個電阻器的電壓（分流電壓）。對于頻程為 10 至 15 倍的負載電流而言，這種方法極為有效。
但是低功耗應(yīng)用需要 30 倍乃至更高頻程的電流感應(yīng)解決方案。使用線性器件測量分流電壓時，實現(xiàn)這種寬負載電流范圍可能很困難。
放大器輸出擺幅會限制可測量的負載電流范圍。例如，從 100mV 至 4.9V 的輸出擺幅相當于頻程約 15 倍的線性輸出范圍。那么如果要測量 30 倍頻程的負載電流，應(yīng)該怎么做？調(diào)節(jié)增益！
圖 1 所示的是兩個增益如何能夠增大可測量負載電流范圍。
圖 1
兩個增益范圍的電流感應(yīng)
對數(shù)放大器和可編程增益放大器是一個選項，但如果需要測量的只是 20 至 30 倍頻程的負載電流，就有點過度了。
另一種方法可使用帶開關(guān)的運算放大器控制增益，如圖 2 所示。
圖 2
低側(cè)運算放大器可調(diào)增益
如果分流電阻器與接地之間存在任何寄生阻抗，這就會產(chǎn)生不準確性。這是一個很大的弊端。圖 3 所示的是當 Rg 涉及接地時，運算放大器可獲得寄生電壓 (VPAR)。
圖 3
寄生電壓誤差，Rg=GND
要降低該誤差，應(yīng)將 Rg 連接至 Vpar（Kelvin 連接 Kevin-connection）。下圖 4 所示為運算放大器不將增益應(yīng)用于寄生電壓，而其仍然出現(xiàn)在輸出端。Vpar 隨負載電流及 PCB 制造容差變化而變化。
圖 4
寄生電壓誤差，Rg= Vpar
要消除該誤差項，可使用只放大差分電壓的器件，例如儀表放大器。
圖 5 所示為 Kelvin 連接(Kevin-connected)至分流電阻器時，儀表放大器如何消除誤差。圖 5 中的方程式可簡化為 Vout=Vref+Vshunt （注意 VPAR=0）。
圖 5
無寄生誤差的儀表放大器
許多系統(tǒng)設(shè)計人員需要單電源解決方案。傳統(tǒng)儀表放大器不能滿足該需求，因為它們具有有關(guān)輸入共模電壓、電源、參考電壓以及增益的輸出擺幅限制。
圖 6 所示為 INA333 儀表放大器的這種關(guān)系。
圖 6
INA333 單電源工作
例如，如果輸出共模電壓為 1V，輸出擺幅則為 ~0V 至 ~2V。在低側(cè)感應(yīng)情況下，共模電源為 0V，因此輸出擺幅極小，甚至沒有擺幅。
為克服該問題，INA326 儀表放大器可使用獨特的電流拓撲提供真正的軌至軌輸入輸出。
將 INA326 的獨特性與控制其增益的開關(guān)相結(jié)合，可實現(xiàn)優(yōu)異的單電源電流感應(yīng)解決方案，其可檢測達 30 倍頻程的負載電流。
圖 7 是實例設(shè)計的原理圖。
圖 7
10μA 至 10mA的單電源電流感應(yīng)解決方案
圖 7 所示的是用于 10μA-10mA 單電源電流感應(yīng)解決方案的 TI 高精度設(shè)計。設(shè)計包括理論、計算與 TINA-TI 仿真。
下次大家在設(shè)計電流感應(yīng)解決方案時，務(wù)必要理解放大器的局限性。在嘗試復(fù)雜解決方案之前，應(yīng)明白簡單開關(guān)可顯著拓展范圍！
作者：
Pete Semig 是一名德州儀器高精度線性產(chǎn)品部的模擬應(yīng)用工程師，負責(zé)為德州儀器差分放大器及儀表放大器提供支持，專業(yè)從事電流感應(yīng)工作。在 2007 年加入德州儀器之前，他畢業(yè)于密歇根州立大學(xué)，分別于 1998 年和 2001 年獲電氣工程士學(xué)位和電氣工程碩士學(xué)位。2001 年至 2007 年，他曾任密歇根大學(xué)電氣和計算機工程系教員，教授各類課程和實驗課。Pete 曾多次獲得學(xué)生評選的年度優(yōu)秀教學(xué)質(zhì)量獎。