ZHCSNT6A August 2021 – April 2025 OPA2397 , OPA397 , OPA4397
PRODMIX
7.2.2 详细设计过程
负载电流 ILOAD 流经分流电阻器 RSHUNT，产生分流电压 VSHUNT。然后由 U1A 和 R1 至 R4 构成的差分放大器放大分流电压。差分放大器的增益通过 R4 与 R3 之比设定。为了最大程度地减少误差，设置 R2 = R4 且 R1 = R3。基准电压 VREF 通过使用 U1B 缓冲电阻分压器的方式提供。传递函数由方程式 1 确定。
其中
该设计中存在两种误差类型：失调电压和增益。增益误差是由分流电阻器的容差和 R4 与 R3 之比，以及类似的 R2 与 R1 之比造成的。失调电压误差是由分压器（R5 和 R6）以及 R4 / R3 之比与 R2 / R1 之比之间的接近程度而造成的。R2/R1 之比影响差分放大器的 CMRR，最终导致了失调电压误差。
VSHUNT 是低侧测量值，因此 VSHUNT 的值是系统负载的接地电势。所以，必须对 VSHUNT 使用最大值。在此设计中，VSHUNT 的最大值设置为 100mV。方程式 2 计算分流电阻器的最大值，假设最大分流电压为 100mV，最大负载电流为 1A。
RSHUNT 的容差与成本成正比。在此设计中，选择容差为 0.5% 的分流电阻器。如果需要更高的精度，请选择 0.1% 或更佳的电阻器。
由于负载电流是双向电流，因此并联电压范围为 –100mV 至 +100mV。此电压在到达运算放大器 U1A 前，由 R1 和 R2 分压。请确保 U1A 同相节点处的电压在器件的共模范围内。所以，使用共模范围扩展到低于负电源电压的运算放大器（例如 OPA397）非常重要。最后，为更大限度地降低失调电压误差，OPA397 的典型失调电压仅为 ±0.25µV（最大值 ±5µV）。
假设对称负载电流为 -1A 至 +1 A，分压电阻器（R5 和 R6）必须相等。为了与分流电阻器保持一致，必须选择 0.5% 的容差。为了更大程度地降低功耗，使用了 10kΩ 电阻器。
要设置差分放大器的增益，必须考虑 OPA397 的共模范围和输出摆幅。方程式 3 和方程式 4 分别展示了在给定 3.3V 电源的情况下 OPA397 的典型共模范围和最大输出摆幅。
现在可通过方程式 5 中所示的公式计算差分放大器的增益：
R1 和 R3 的电阻值选定为 1kΩ。R2 和 R4 的电阻值选定为 15.4kΩ，因为该值最接近标准值。因此，计算出的差分放大器增益为 15.4V/V。
电路的增益误差主要取决于 R1 至 R4，因此选择了容差为 0.1% 的电阻器。该配置降低了设计中需要两点校准的可能性。如有需要，简单进行一点校准可消除 0.5% 电阻器产生的失调电压误差。