高精度OPアンプを使ったローサイド電流検出回路

■問題

【 ADA4097-1 】

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，ローサイドの電流(GNDに向かって流れる電流：I₁)を，低い抵抗(R₁)を使って電流を検出する，ローサイド電流検出回路です．出力はoutになり，ローサイドの電流を電圧に換算した値が得られます．outとOPアンプ出力の間にはダイオード(D₁)がありますが、この役割として正しいのは(a)～(d)のどれでしょうか．
　ただし，ADA4097の出力電圧はデータシートより，　最大値がV+(図1は5V)から2.5mV低い4.9975V，最小値は0.24Vです．

図1　R₁の電圧降下でGNDへ流れる電流を検出し，電圧に換算して出力するローサイド電流検出回路
回路を評価するため，検出するローサイド電流としてI₁を用いている．

(a) outの温度変化を補償する
(b) ローサイドの電流(I₁)が低電流のときのoutの電圧精度を向上させる
(c) outからOPアンプ出力に流れる電流を遮断する
(d) 非反転アンプのoutの電圧は，バーチャル・ショートの電圧と同じになる

■ヒント

　図1で使用しているADA4097のOPアンプは，出力電圧範囲が0.24V～4.9975Vです．この出力電圧範囲のとき，D₁がある回路とない回路を比較すると，D₁の役割が分かります．

■解答

(b) ローサイドの電流(I₁)が低電流のときのoutの電圧精度を向上させる

　ADA4097のOPアンプの最小の出力電圧は，0.24Vです．D₁がない状態(D₁をショート)を考えると，outとOPアンプの出力は同じ電圧になるので，outが0.24Vより低くなるローサイドの電流のときバーチャル・ショートが成り立ちません．このためoutはV_R1を「G=1+R₃/R₂」のゲインで増幅した電圧からずれが生じます．D₁があると，OPアンプ出力電圧はoutの電圧より順方向電圧(おおよそ0.7V)だけ高くなります．この状態はOPアンプの最小の出力電圧にならないので，ずれが生じません．これより正解は，(b)の「ローサイドの電流(I₁)が低電流のときのoutの電圧精度を向上させる」になります．
　また，不正解の理由として，(a)は，outの電圧にD₁の順方向の電圧と温度変化は関係しないので不正解です．(c)は，D₁が逆方向にバイアスした状態を示したものなので不正解です．(d)は，非反転アンプのoutの電圧は，バーチャル・ショートの電圧にR₃の電圧降下を加えた電圧になるので不正解です．
　

■解説

●ローサイド電流検出回路について
　図1のローサイド電流検出回路は，回路からGND側に流れる過電流の検出や，バッテリで動作させる回路の電流検出等に使われます．回路はシンプルで，図1のR₁の低い抵抗に発生する電圧降下を非反転アンプで増幅し，電圧換算でローサイドの電流を検出します．この回路はADA4097のデータシートにある回路になります．
　図1のローサイドの電流とoutの電圧の関係を机上計算で調べます．図1では回路を評価するため，検出するローサイドの電流をI₁としています．ローサイドの電流(I₁)とR₁で発生する電圧降下は式1になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　式1のV_R1が非反転アンプの入力電圧となるので，outは式2になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　「R₂=1kΩ，R₃=9.09kΩ」なので，outではI₁の電流を1.009倍した電圧換算で検出することができます．式2より，図1のVoutはローサイドの電流が0Aに近いとき，outの電圧は0Vに近くなります．検出したいローサイドの電流が低いときは，入力が0V(=GND)でも動作し，かつ出力も0V付近まで出力できる入出力電圧範囲が広いOPアンプを選びます．図1のADA4097は入出力がレール・ツー・レールのOPアンプなので，この条件に近いOPアンプになります．

●データシートからOPアンプの入出力電圧範囲を調べる
　ここでは，図1で使ったADA4097の入出力電圧範囲を調べます．データシートで入力電圧範囲を調べるときは，入力の同相入力電圧範囲を用います．ADA4097のデータシートでは5V電源のとき次の規格になります．

「Common-Mode Input Range」最小で-0.1V，最大で+70V

　図1のV_R1の最小は，ローサイド電流(I₁)が流れない0Aなので0Vになり，最小の-0.1Vより高いので同相入力電圧範囲内です．またV_R1の最大は，ADA4097の電源電圧を超えて最大で+70Vまで動作できることになります．
　次に出力電圧範囲を調べるときは，出力電圧スイングを用います．ADA4097のデータシートでは，次の規格になります．シンク電流はOPアンプが吸い込む電流，ソース電流はOPアンプが吐き出す電流です．

「Output Voltage Swing Low」シンク電流が 5mAのとき標準で240mV，最大で325mV
「Output Voltage Swing High」ソース電流が 5mAのとき標準で2.5mV，最大で5mV

　この規格の標準値を図1の5V電源に当てはめると，出力電圧が低い方は0.24V，出力電圧が高い方は5Vから2.5mV低い4.9975Vになります．

●入出力電圧範囲を確かめる
　図2は，ADA4097を使い，5V電源のユニティ・ゲイン・バッファの入出力特性を調べる回路になります．ユニティ・ゲイン・バッファは，入力電圧と出力電圧が同じになります．しかし，OPアンプの入出力電圧範囲から外れると，同じ電圧にはなりません．これを利用して簡易的にOPアンプの入出力電圧範囲を調べます．図2のシミュレーションは，入力はV2で0V～5Vを1秒でスイープし，「.tran 1」のドット・コマンドで0s～1sの過渡解析を用います．

図2　レール・ツー・レールOPアンプの入出力特性をユニティ・ゲイン・バッファで調べる

　図3は，図2のシミュレーション結果になります．上段のV(in+)はV2の入力電圧をin+のラベルでプロット，V(out)はユニティ・ゲイン・バッファの出力電圧をプロットしています．下段のV(in+，out)は入力電圧と出力電圧の差電圧になります．
　図3の上段ではV(in+)とV(out)は重なっているように見えますが，下段の差電圧のプロットより明らかに差が広がるのは，V(out)の電圧が0.24Vより低くなるところです．V(out)が0.24V以上は差電圧が0Vに非常に近いのでバーチャル・ショートとみなせますが，V(out)が0.24Vより低くなるとバーチャル・ショートが成り立ちません．これは先ほどのデータ・シートから読み取った出力電圧の下限値0.24V以下の状態であり，この領域は負帰還アンプが正常に動作しないことになります．

図3　図2のシミュレーション結果
上段はin+とoutの電圧をプロット．下段はin+とoutの差電圧をプロット．
outの電圧が0.24Vより低くなるとバーチャル・ショートが成り立たなくなる．

●ダイオード有無による特性差
　次に，図4の2つの回路を用いて，D₁のダイオードの有無によりローサイド電流検出回路の特性差を調べます．図4(a)は図1と同じD₁のダイオードが有る回路，図4(b)はダイオードが無い回路になります．この2つのシミュレーション結果を用いて答え合わせをします．シミュレーションは，図4(a)の入力はI₁，図4(b)の入力はI₂で，2つとも0A～1Aを1秒でスイープし，「.tran 1」のドット・コマンドで0s～1sの過渡解析を実行します．

図4　ダイオード(D₁)の有無で，ローサイド電流検出の誤差を調べる2つの回路
(a)はダイオード(D₁)がある回路，(b)はダイオードがない回路．

　図5は，図4のシミュレーション結果になります．図5上段のV(A，B)は，図4(a)の非反転端子の電圧Aと反転端子の電圧Bの差電圧のプロット，V(C，D)は図4(b)の非反転端子の電圧Cと反転端子の電圧Dの差電圧のプロットになります．I₁とI₂の電流は同じ時間変化で与えているので，代表としてI₁の電流をI(I₁)でプロットしています．図5下段のV(out1)は図4(a)のout1の電圧をプロット，V(out2)は図4(b)のout2の電圧をプロットしたものになります．そして，ADA4097のデータシートで調べたOPアンプの出力電圧の下限値0.24Vは，R₁が0.1Ωなので式2から逆算すると，ローサイドの電流は0.24Aに相当します．この0.24Aは，図5上段と図5下段のどの位置になるかを波線で示しています．
　図5下段のダイオードがないV(out2)は，ADA4097の出力電圧の下限値0.24V以下になる0s～0.24sの時間領域で，式2の関係式からずれが生じます．この原因は上段のV(C，D)のプロットで，同じ時間領域でOPアンプの出力電圧の下限値0.24Vより低くなり，バーチャル・ショートが成り立たなくなるためです．
　一方，D₁のダイオードがあると，ADA4097の出力電圧は下限値0.24VよりD₁の順方向電圧だけ高くなります．この効果により，バーチャル・ショートが成り立つので，図5下段のV(out1)は低いローサイドの電流でも誤差が生じず，精度が向上するのが分かります．以上のシミュレーション結果からも解答の(b)になるのが分かります．

図5　図4のシミュレーション結果
ダイオードがないとoutが0.24Vより低いとバーチャル・ショートが成り立たず誤差が生じる．
ダイオードがあると電流検出の精度が向上する．

　以上，データシートにあるローサイド電流検出回路は，検出する電流が低いとき，ダイオード(D₁)で精度が向上することを解説しました．入出力レール・ツー・レールOPアンプの出力電圧範囲は2つのレール(電源とGND)付近まで出力スイングできますが，完全にレールではありません．図1の回路で検出したい電流領域が低いときはダイオードが必要になります．

◆参考・引用*文献
アナログ・デバイセズ：ADA4097-1のデータシート

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_012.zip

●データ・ファイル内容
Unity Gain Buffer.asc：図2の回路
Unity Gain Buffer.plt：図2のプロットを指定するファイル
Lowside current detected.asc：図4の回路
Lowside current detected.plt：図4のプロットを指定するファイル