一、概要

了解如何在低端電流檢測中使用單端放大器，包括PCB布局技巧和注意事項，以及如何優化布局提高檢測精度。

二、在低端電流檢測中使用單端放大器

低端檢測的主要優點是可以使用相對簡單的配置來放大分流電阻器上的電壓。例如，運算放大器的可以做電機控制應用中低成本電流檢測使用。

圖 1

然而，這種低成本的解決方案可能會帶來很多測量誤差。為了能夠準確測量電流，我們需要考慮可能影響電路敏感節點（如放大器輸入）的任何非理想效應。這也是我們在這篇文章中重點討論的點。

三、PCB走線電阻的影響

一個重要的誤差是由于PCB走線造成的寄生電阻Rstray。由于待檢測電阻Rshunt在毫歐范圍內的值很小，任何與Rshunt串聯的寄生電阻Rstray都可能對測量結果產生明顯誤差。如下圖所示，寄生電阻等效電路圖。

圖 2

根據應用，Iload可高達數百安培。因此，即使是很小的Rstray值也會產生相當大的誤差電壓Verror。該誤差電壓將被放大器放大并出現在輸出端。

由于銅電阻的溫度系數相當高（約0.4%/℃），Rstray的值會隨溫度發生很大變化。因此，當該電路應用在大范圍溫度變化的場景時，寄生電阻會會因溫度變化產生相當大的誤差。因此，為了降低誤差電壓 Verror，我們應該避免長走線以最小化 Rstray。

值得一提的是，消除Rstray誤差的更有效解決方案是差分放大器而不是單端放大器。單端放大器檢測節點A相對于地的電壓。然而，差分放大器具有差分輸入可以檢測Rshunt兩端的電壓。如下圖所示。

圖 3

差分放大器的傳遞函數由下式給出：

由于差分放大器的差分輸入檢測Rshunt上的電壓，PCB走線的電阻不會產生誤差。我們將在以后的文章中更詳細地研究差分放大器配置。

四、阻焊電阻的影響

另一個誤差源是與檢測電阻串聯的焊接電阻。如下圖所示

圖 4

在該圖中，負載電流沿紅色箭頭方向從左向右流動。垂直走線將分流電阻器連接到放大器輸入（In+ 和 In-）。因此，放大器會檢測 A 點和 B 點之間的電壓差。檢測電阻的實際值將為 Rshunt+2Rsolder。焊接電阻可以在幾百微歐的范圍內。

尤其是在使用小分流電阻器時，該誤差變得顯著。例如，使用0.5mΩ分流電阻和Iload=20 A，焊接電阻的誤差可能高達22%。為了解決這個問題，放大器輸入應直接連接到分流電阻而不是載流走線。如下圖是優化后的PCB布局圖。

圖 5

在這種情況下，有兩對PCB焊盤：一對用于將Rshunt連接到負載，另一對用于將Rshunt連接到放大器輸入。在大電流應用中，放大器消耗的電流(Iamp)遠小于Iload。因此上述布局可以減少阻焊電阻造成的誤差。

為了更好地理解這種技術，讓我們比較兩種情況下的感測電壓。對于圖 4 所示的布局，檢測到的電壓為：

由于Iamp比Iload小得多，我們有

-公式1

這給出了2Rsolder1*Iload的誤差電壓。圖 5 中的布局如何？該布局的電路圖如下所示：

圖 6

請注意，電流 Iload 無需通過 Rsolder2 即可返回其源。測得的電壓為：

在這種情況下，誤差為 2Rsolder2*Iamp，它遠小于公式 1，因為Iamp遠小于 Iload。這種電路結構我們通常稱為開爾文接法，這種接法在很多領域中得到使用，開爾文接法能使我們準確測量阻抗。圖7顯示了采用Kelvin傳感技術的其他一些PCB布局。

圖 7

五、噪聲地平面

圖8顯示了另一個誤差源，噪聲地平面。

圖 8

前文提到，由于普通放大器的單端輸入測量的是節點A相對于地的電壓。假設我們的電路板有一個專用的接地層。我們可以在Rshunt附近放置一個過孔，以將B點保持在系統接地電位，并最大限度地減少PCB走線電阻的誤差。另一個敏感節點是節點C。耦合到節點C的任何信號都將被放大并出現在輸出端。因此，我們也需要將節點C保持在地電位。

但是，假設地有噪聲，并且一些電流流過地平面，如圖8所示。這將導致節點B和C之間的電位差，而我們理想情況下期望它們處于相同的電位。

假設節點B保持在地電位，與地電流的電壓差將出現在節點C并在輸出端引入誤差。為避免此錯誤，建議使用使節點B和C彼此非常接近的 PCB 布局。

圖 9

上圖9顯示了一個將上述考慮因素考慮在內的示例布局。我們使用的是SOT23 封裝的運算放大器。

需要注意：開爾文連接用于檢測分流電阻器上的電壓。另外，R1和Rshunt的接地側彼此需要非常靠近。