M8 · 不削波的电流检测链

目标

• 求出电流检测链的负担电压（burden）、失调等效电流（offset-equivalent current）和滤波器的转折频率（corner frequency）。
• 找出示例在最小电流下达不到误差目标的原因，并加以修正。
• 在失调和焊盘电阻的最坏情况下，使最大电流时的输出低于放大器的最大输出和 ADC 的满量程（full scale）。

开始之前

• 阅读电流检测链和电流检测。
• 了解本任务涉及的两个易错点：焊盘与焊点电阻和电流输出型放大器的电压余量。

步骤

1. 检测链

用电流输出型示例打开电流检测链：

▶ 在电流检测链中打开：电流检测链示例：电流输出型放大器，两端子分流电阻
预设取自例题 sense-current

它测量最高 2 A 的电流，所用分流电阻为 10 mΩ，其焊盘另外增加 500 µΩ；读取 200 mA 时，误差必须在 0.01 以内。

2. 负担电压与失调

求出最大电流下的检测电压（检测电压），以及放大器失调所相当的电流（失调等效电流）。将两者填入下方。分流电阻越大，后者越小，前者越大 [Texas Instruments 2023]。

3. 小电流端为何不达标

在最小电流下，把焊盘误差（焊盘误差）与失调相加（相对误差）。说明二者中哪一项更大，以及为什么开尔文连接（Kelvin connection）能消除其中一项 [O'Sullivan 2012]。

4. 修正及其代价

修改检测链，即连接方式、分流电阻或放大器的失调，直到工具报告最小电流下的误差在目标以内。然后校核最大电流：最坏情况下的输出必须低于放大器的最大输出和 ADC 的满量程。否则应降低增益。写下你的修正在负担电压和耗散功率方面的代价。

5. 滤波器

求出滤波器的转折频率（R-C 转折频率），并与 ADC 采样率对应的奈奎斯特频率（Nyquist frequency，奈奎斯特频率）比较。将转折频率填入下方。

验收标准

• 最大电流下的检测电压，即加在被测电路上的负担电压。
  你的数值（V）核对
  显示例题中的值

  20 mV（出自 sense-current：电流检测链示例：电流输出型放大器，两端子分流电阻）

• 放大器失调所相当的电流。
  你的数值（A）核对
  显示例题中的值

  10 mA（出自 sense-current：电流检测链示例：电流输出型放大器，两端子分流电阻）

• 最小电流下焊盘误差与失调中较大的一项，以及使误差回到目标以内的改动。
• 最大电流下，最坏情况的输出低于放大器的最大输出和 ADC 的满量程。
• 你的修正在负担电压和耗散功率方面的代价。
• 低于奈奎斯特频率的滤波器转折频率。
  你的数值（Hz）核对
  显示例题中的值

  1.447 kHz（出自 sense-current：电流检测链示例：电流输出型放大器，两端子分流电阻）

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易错点

• 电流输出型放大器的输出不能摆动到电源电压。无论增益多大，最大输出都由其电压余量（headroom）决定（电压余量）。
• 数据手册给出的是失调的最大幅值，而不是其符号：两种符号都要校核，即在量程上端使输出升高的符号，和在下端使读数降低的符号。
• 采用电流输出型放大器时，滤波电容所见的是 $R_\mathrm{OUT}$ 与 $R_f$ 串联（滤波器的电阻），因此转折频率低于仅按 $R_f$ 算出的值。
• 低于奈奎斯特频率的单个极点，仍会让该频率处的一部分信号通过。读出滤波器在奈奎斯特频率处的增益；若输入了开关频率，也读出开关频率处的增益。

延伸阅读

• 技术文章 System Trade-offs for High- and Low-side Current Measurements (SSZTA51) — Texas Instruments · 访问于 2026-09-24
  简要比较将分流电阻置于接地回路与置于电源侧的差异。
• 技术文章 Optimize High-Current Sensing Accuracy by Improving Pad Layout of Low-Value Shunt Resistors (Analog Dialogue 46-06) — M. O'Sullivan, Analog Devices · 访问于 2026-09-24
  低阻值分流电阻的焊锡如何计入读数，以及将其排除在外的四焊盘布局。

测验

1. 一个 5 mΩ 的分流电阻流过 4 A 电流。它产生的检测电压，即负担电压，是多少？

   1. 20 mV
   2. 2 mV
   3. 200 mV
   4. 0.8 mV
   答案与解析

   正确答案：A 由欧姆定律：4 A 乘以 5 mΩ 得 20 mV，被测电路在分流电阻上损失这一电压。

2. 一个失调为 50 µV 的放大器读取该分流电阻。该失调相当于多大的电流？

   1. 1 mA
   2. 10 mA
   3. 0.25 mA
   4. 100 mA
   答案与解析

   正确答案：B 失调除以分流电阻：50 µV 除以 5 mΩ 得 10 mA，在任何电流下都相同。

3. 焊盘为该分流电阻增加 0.5 mΩ，而检测点位于焊盘外侧。读数偏高的比例是多少？

   1. 1 %
   2. 10 %
   3. 5 %
   4. 0.5 %
   答案与解析

   正确答案：B 放大器看到的是流过分流电阻和焊盘的电流：0.5 除以 5 为十分之一，在任何电流下都如此。

4. 什么能消除焊盘误差？

   1. 更大的增益
   2. 开尔文连接：检测走线接在分流电阻自身的端子上，避开负载电流的焊盘
   3. 更低的采样率
   4. 更大的滤波电容
   答案与解析

   正确答案：B 采用四端子分流电阻，或为两端子分流电阻采用四焊盘布局时，焊盘仍流过负载电流，但已不在检测路径中。

5. 将分流电阻增大到十倍，失调等效电流降为十分之一。代价是什么？

   1. 没有代价
   2. 同一电流下负担电压和耗散功率都变为十倍
   3. 带宽降为十分之一
   4. 失调更大
   答案与解析

   正确答案：B 检测电压和分流电阻的损耗都随其阻值增大；输出也可能削波，因此必须降低增益。

6. 电流输出型放大器在满电流时的输出为 4.5 V，其电源为 5 V，而输出只能摆动到比电源低约 1 V 处。结果如何？

   1. 没有影响：输出由增益决定
   2. 输出在达到满电流之前就削波：应降低增益
   3. 失调加倍
   4. 分流电阻过热
   答案与解析

   正确答案：B 无论增益多大，输出都不能越过其电压余量的限制，因此除非降低增益，否则会失去量程的上端。