電流検出アンプとは、電源レールに流れる電流に対応する電圧を生成するアンプの一種を指します。 さらに、電流検出アンプは、電源プレーンに一種のシャント抵抗を使用するため、電流シャント抵抗アンプとも呼ばれます。 電流がシャント抵抗を通過すると、少量の電圧が降下します。 しかし、電流検出アンプはこの電圧降下を検出・感知し、増幅して出力として取り出すのです。

これらの電流検出アンプは主に、シャント抵抗を介して最小量の電圧でも増幅する役割を果たします。 電圧範囲は通常 100 mV ～ 10 mV です。 電流検出アンプは、DC 精度と高い CMRR を実現するために使用されます。 検出抵抗を使用して一方向の電流の流れを測定するか、二方向の電流の流れも測定します。 ただし、アンプが 2 方向の電流を検出できる場合、そのアンプは双方向電流検出アンプと呼ばれます。

この記事では、電流センサーアンプの使用法、動作原理、種類について詳しく説明します。

電流センスアンプと通常のアンプの違い

電流センスアンプとノーマルアンプには、異なるタイプの仕様が付属しています。 どちらも使用する建築材料の種類が異なります。 一方、オペアンプにもさまざまな種類があります。 通常のアンプでは低い電圧分を増幅することができません。 CMMRも低いです。 一方、電流検出アンプは最小の電圧も識別して増幅します。 また、高いCMRRも含まれています。

標準的なオペアンプと通常の差動アンプでは、どちらも 2 つの電源レール Vee と Vcc の間に電源を接続します。 また、アンプは、電源レールの背後に存在する信号、またはグランドプレーンの共通パスを含む信号に対してのみ機能します。 使用される電源レールの外部電圧によって、ESD の内部保護ダイオードがトリガーされる可能性があります。 ただし、外部電圧が通常のアンプ入力ピンに印加される場合は可能です。 そのため、大きな電流が流れてしまいます。

一方、電流検出アンプは、低電圧の電源レールに関係なく、印加電圧と比較してより大きなピン電圧に耐えることができます。 このアンプは、その機能に特殊なパワーパス方式を採用しています。 Vcc が増加し始め、入力電圧が低下すると、アンプは入力電圧から電源の供給を開始します。

電流検出アンプのモード電圧とCMMR

コモンモード電圧は、CM 電圧または CMV とも呼ばれます。 電流検出アンプと単純なアンプの両方で重要な役割を果たします。 コモンモード電圧とは、アンプの 2 つの入力にかかる平均的な種類の電圧を指します。 オペアンプには CM 電圧に基づいて出力を識別して作成する機能が限られているため、このタイプの電圧は重要な役割を果たします。 ただし、単純なオペアンプでは非常に少量の CMV が許容されるため、電流検出機能の精度には適していません。 しかし、電流検出アンプでは、CMV の範囲はアンプの実際の電源電圧よりも高くなります。 たとえば、電流検出アンプでは、INA240 は +80 ボルトから -4 ボルトまでの CMV 範囲をサポートしながら、2.7 ボルトの低電源を供給します。

一方、コモンモード除去比は CMRR も指します。 CM ゲインと微分ゲインの比率の一種を指します。 実際のオペアンプでは、CMRR の値は無限の範囲にあります。 ただし、単純な回路では、CMRR の範囲は 100 ～ 80 dB です。 CMRR の高い値は、測定に表示される CM 信号の量を示します。 ただし、電流検出アンプでは、出力全体で低 CM 信号を反映するため、CMMR が重要な役割を果たします。 これにより、センサーは電流を検知するためのさまざまな機能を調べることができます。 さらに、CMMR は電流検出ラインのノイズも低減します。

電流検出アンプの種類

ローサイド電流検出

電流を感知または識別する一種のシャント抵抗器を使用します。 電流検出の手法は、シャント抵抗の配置によって異なります。 ローサイド電流の測定にはこれを使用します。 したがって、負荷がグランドプレーンに戻るときに常にシャント抵抗を通過するような方法で、グランドプレーンにアクティブな負荷を作成します。

・メリット

ローサイド電流の測定にはさまざまな利点があります。 プロセスの実装は簡単です。 これは、シャント抵抗の両端の電圧供給がグランドプレーン基準内に留まるために発生します。 この状況では、低電圧センスのためシャント抵抗器での電圧降下が小さいため、低電流電圧センスアンプが使用されます。 コモンモードの拒否は無視されます。

・デメリット

ローサイド電流の測定の主な欠点は、この負荷がグランド基準に従って設定されないことです。 これは、シャント抵抗がグランドプレーンに直列形式で配置されているために発生します。 したがって、電流シャント抵抗は負荷回路内の大量の電流を識別できないため、接地基準が損傷すると、回路内で接地と負荷間の短絡などの問題が発生します。

ハイサイド電流検出

ハイサイド電流の測定には、ローサイド電流の測定と同じシャント抵抗が使用されます。 ただし、このシャント抵抗の配置はアクティブ負荷と電源の間に行われます。

・メリット

ハイサイド電流の測定には、ローサイド電流の測定に対する 2 つの基本的な利点があります。 まず、負荷とグランドの短絡を識別できないというローサイド電流の問題が克服されます。 電源プレーンに電流シャント抵抗が必要です。 その後、グラウンドおよび負荷内のあらゆるタイプの短絡を簡単に識別します。

第 2 に、このタイプの回路では、負荷は完全なグランド基準を使用して配置されます。 したがって、シャント抵抗の差動入力により、負荷電流の正確な量を簡単に識別できます。 そして、特別な努力は必要ありません。 ADC変換を使用します。

・デメリット

ハイサイド電流法の測定には、高い除去率のコモンモードが必要です。 これは、電源電圧負荷の下で電流のシャント抵抗の両端に低電圧が発生するために発生します。