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。直流感應方法很簡單，就是安放一個與負載（分流電阻器）串聯的電阻器，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。
但是低功耗應用需要 30 倍乃至更高頻程的電流感應解決方案。使用線性器件測量分流電壓時，實現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，應該怎么做？調節增益！
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
對數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的運算放大器控制增益，如圖 2 所示。
圖 2
低側運算放大器可調增益
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用于寄生電壓，而其仍然出現在輸出端。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
許多系統設計人員需要單電源解決方案。傳統儀表放大器不能滿足該需求，因為它們具有有關輸入共模電壓、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。在低側感應情況下，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相結合，可實現優異的單電源電流感應解決方案，其可檢測達 30 倍頻程的負載電流。
圖 7 是實例設計的原理圖。
圖 7
10μA 至 10mA的單電源電流感應解決方案
圖 7 所示的是用于 10μA-10mA 單電源電流感應解決方案的 TI 高精度設計。設計包括理論、計算與 TINA-TI 仿真。
下次大家在設計電流感應解決方案時，務必要理解放大器的局限性。在嘗試復雜解決方案之前，應明白簡單開關可顯著拓展范圍！
作者：
Pete Semig 是一名德州儀器高精度線性產品部的模擬應用工程師，負責為德州儀器差分放大器及儀表放大器提供支持，專業從事電流感應工作。在 2007 年加入德州儀器之前，他畢業于密歇根州立大學，分別于 1998 年和 2001 年獲電氣工程士學位和電氣工程碩士學位。2001 年至 2007 年，他曾任密歇根大學電氣和計算機工程系教員，教授各類課程和實驗課。Pete 曾多次獲得學生評選的年度優秀教學質量獎。