学习如何在低端电流感应中使用单端放大器，包括PCB布局提示和注意事项，以及基于SOT23封装中运算放大器的布局示例。

在本文第一部分讨论了通用运算放大器的非逆变结构可用于低压侧电流检测。受文章启发鈥如何为高性能、低侧电流传感设计布局PCB“本文试图进一步阐明在低侧电流传感中使用单端放大器时可能影响测量的误差来源。

低压侧传感的主要优点是可以使用相对简单的配置来放大并联电阻器上的电压。例如，通用运算放大器的非逆变配置可以是成本敏感的电机控制应用的有效选择，这些应用需要能够在消费市场空间中竞争。

基于非逆变配置的电路图如所示图1 .

图1

然而，这种低成本的解决方案可能会受到几种不同的误差源的影响。为了精确测量电流，我们需要考虑任何可能影响电路敏感节点的非理想效应，如放大器输入端。我们将在下面更详细地讨论这个问题。

误差的一个重要来源是与R串联的PCB迹线的寄生电阻分流器. 自R分流器在毫欧姆范围内有一个很小的值，任何与R串联的寄生电阻分流器可能导致重大错误。用R来模拟这种寄生电阻迷路，我们在中获得示意图图2 .

图2

根据应用程序，我负载可以高达几百安培。因此，即使R值很小迷路会产生相当大的误差电压V错误. 这个误差电压将被放大器的增益放大并出现在输出端。

由于铜电阻的温度系数相当高（约0.4%/°C），R值迷路因此，误差电压可以随温度变化很大。因此，杂散电阻会在温度变化较大的系统中产生与温度有关的误差。降低误差电压V错误，我们应该避免长的痕迹来最小化R迷路 .

值得一提的是，一个更有效的解决方案可以消除R迷路是使用不同的放大器而不是非反相配置。从中可以看出图2，非反转配置具有单端输入。它感测节点A相对于地的电压。然而，一个差分放大器有一个差分输入，并感测R上的电压分流器. 如中所示图3 .

图3

差分放大器的传递函数由下式给出：

vout=R2R1(vA−vB)=R2R1Vshuntvout=R2R1(vA−vB)=R2R1Vshunt

由于放大器的差分输入感测分流电阻器上的电压，来自PCB轨迹的电阻不会产生误差。在以后的文章中，我们将更详细地研究差分放大器的配置。

另一个误差源是与感测电阻串联出现的焊接电阻。如中所示图4 .

图4

在此图中，负载电流沿红色箭头方向从左向右流动。垂直迹线将分流电阻器连接到放大器输入端（In和In-）。因此，放大器感测A点和B点之间的电压差。感测电阻的实际值为R分流器2R公司焊料. 焊接电阻可以在几百微欧姆的范围内。

当使用一个小的并联电阻时，误差变得显著。例如，使用0.5 mΩ并联电阻器和I负载=20 A, the焊接电阻误差可高达22%. 为了解决这个问题，放大器的输入应该直接连接到分流电阻上，而不是连接到载流轨迹上。图5显示了一个可以给出更准确结果的示例布局。

图5

在这种情况下，有一对电路板用于连接分流器另一对用于连接R分流器到放大器输入端。在大电流应用中，由放大器（I放大器)比我少很多负载. 这就是为什么上面的布局可以减少来自焊接电阻的误差。

为了更好地理解这种技术，让我们比较两种情况下的感应电压。布局如所示图4，感测电压为：

vA−vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)vA−vB=(Rshunt+2Rsolder1)×(Iload+Iamp)

因为我放大器比我小得多负载，我们有：

vA−vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1IloadvA−vB≈(Rshunt+2Rsolder1)×Iload=RshuntIload+2Rsolder1Iload

这给出了2R的误差电压焊料1我负载. 里面的布局呢图5? 此布局的电路图如下所示：

图6

注意电流I负载不经过R返回源焊料2. 测量电压为：

vC−vD=Rshunt×(Iload+Iamp)+2Rsolder2Iamp≈RshuntIload+Rsolder2IampvC−vD=Rshunt×(Iload+Iamp)+2Rsolder2Iamp≈RshuntIload+Rsolder2Iamp

在这种情况下，误差是2R焊料2我放大器这比方程式1因为我放大器比我少很多负载. 这种技术通常被称为开尔文传感在许多应用领域都有应用。它使我们能够精确测量阻抗。采用开尔文传感技术的其他一些PCB布局如所示图7 .

您可以在中找到更复杂的Kelvin连接布局示例鈥通过改进低值并联电阻的焊盘布局优化高电流传感精度“来自模拟设备

您可能想知道图5和图7可以得到更精确的测量结果吗？应该注意的是，这个问题很难回答，因为结果取决于您在设计中使用的电阻。在报告电阻器的标称值时，不同的电阻器制造商可能使用不同的测量位置。

例如，如果电阻器制造商测量了焊盘内部的电阻，则图7（a）可以给我们更精确的测量。

图8显示了另一个错误来源：嘈杂的地面。

我们讨论了由于非逆变配置具有单端输入，因此它测量节点a相对于地的电压。假设我们的电路板有一个专用的地平面。我们可以把一个过孔放在离R很近的地方分流器使B点保持在系统地电位上，并使PCB跟踪电阻的误差最小。另一个敏感节点是节点C。任何耦合到节点C的信号都将被放大并出现在输出端。因此，我们还需要保持节点C处于地电位。

但是，假设地面有噪声并且一些电流流过接地层，如中所示图8. 这将导致节点B和C之间的电位差，而我们理想地期望它们处于相同的电位。

假设节点B保持在地电位，与接地电流的电压差将出现在节点C，并在输出端引入误差。为避免此错误，建议使用PCB布局，使节点B和C彼此非常接近。

图9显示了一个考虑到上述因素的布局示例。此示例布局基于SOT中的运算放大器 twenty-three包裹

注意，开尔文连接用于感应并联电阻器上的电压。另外，请注意R的地面侧 one和R分流器彼此非常靠近。请记住，开尔文连接有几种不同的焊盘布局。您可能需要咨询电阻器制造商或做一些实验，以确定适合您的设计布局。