AN-1308: 電流検出アンプの同相ステップ応答
はじめに
電流検出アンプは、アナログ・デバイセズが得意とす るアンプの 1 つで、大きな同相電圧が存在する状態で 小さな差動信号を増幅するのに使用します。電流検出 アンプの標準的なアプリケーションは、シャント抵抗 両端の電圧を増幅することです。アナログ・デバイセ ズは、動作電源電圧が最小 1.8V、入力同相耐電圧が最 大 600V の各種電流検出アンプを提供しています。
| Device Number | VSUPPLY | Input Common-Mode Voltage | ||
| Min | Max | Min | Max | |
| AD8293G80 | 1.8V | 5.5V | 1.8 V | 5.5 V |
| AD626 | 2.4 V | 10 V | -24 V | 24 V |
| AD8274 | 2.5 V | 18 V | −40.5 V | 40.5 V |
| AD8279 | 4 V | 36 V | −45.3 V | 40.5 V |
| AD8210 | 4.5 V | 5.5 V | −2 V | 65 V |
| AD8207 | 4.5 V | 5.5 V | −4 V | 65 V |
| AD8418/AD8418A | 2.7 V | 5.5 V | −2 V | 70 V |
| AD628 | 4.5 V | 36 V | −120 V | 120 V |
| AD629 | 5 V | 36 V | −270 V | 270 V |
| AD8479 | 5 V | 36 V | −600 V | 600 V |
シャント抵抗を使用する多くのアプリケーションで は、時間に応じて変化する同相電圧の問題がありま す。同相電圧が変化するシャント・アプリケーション の例として、H ブリッジ・モーター・ドライバ、ソレ ノイド・コントローラ、DC/DC スイッチング・コンバ ータなどがあります。これらのアプリケーションで は、電流検出アンプから見た同相電圧は PWM のよう にバッテリ電圧からグラウンドまで変化します。
理想的な電流検出アンプは入力同相電圧の変化に反応 しません。しかし実際には、電流検出アンプの同相除 去は有限であり、一般に DC で規定して 100µV/V、す なわち 80dB 程度です。
| Device Number | CMRR (dB) |
| ADA4830-1 | 65 |
| AD8270 | 76 |
| AD8210 | 80 |
| AD8207 | 80 |
| AD8203 | 82 |
| AD8418/AD8418A | 86 |
| AD8207 | 90 |
| AD8210 | 100 |
| AD8211 | 120 |
| AD8293G80 | 140 |
DC の同相除去比（CMRR）による出力誤差に加えて、 アンプの AC の CMRR と同相ステップ応答に関連する 誤差があります。このアプリケーション・ノートで は、電流検出アンプの同相ステップ応答を中心に説明 します 1 。
同相ステップ応答
理論上、電流検出アンプは実際の入力値（つまり、同 相電圧）に関係なく、その入力の差（差動電圧）に基 づいた出力を生成します。しかし実際、アンプの出力 は入力の同相レベルが異なると変化する可能性があり ます。同相入力の変化による出力の変化は同相ステッ プ応答と呼ばれます。
入力同相電圧の変化が大きいアプリケーションでは、 アンプの同相ステップ応答が特に重要になる可能性が あります。それは、アンプが入力同相電圧の変化から 整定するとき、新たな同相レベルによって生じる新た なオフセットにより、アンプの出力が無効になる可能 性があるからです。したがって、アンプの長いセトリ ング・タイム（この間の大きな誤差）がアンプの動的 性能を大きく低下させる可能性があります。
同相ステップ応答の測定
電流検出アンプの非常に高速かつ高精度の同相ステッ プ応答を達成するのは大変困難です。それには、非常 に安定した高速のソース、完全にシールドされたコネ クタ、適切に設計された回路を必要とします。この測 定に使用した基本的な機能ブロック図を図 1 に示しま す。
PWM 入力
波形発生器によって 0Hz～100kHz の PWM 信号を生成 し、MOSFET ドライバの入力信号として使用します。
MOSFET ドライバ
このドライバは MOSFET に大電流を注入し非常に高速 のスイッチングを実現して、発熱が過渡にならないよ うにします。ドライバによって供給される電流は数百 ミリアンペア、場合によっては数アンペアに達しま す。
MOSFET
ドライバの出力は正電圧なので、N チャンネル・パワ ーMOSFET を使用します。これらの MOSFET は最大 100V の電圧に耐え、標準的な立上がり時間と逆回復時 間はそれぞれ、35ns と 115ns です。さらに、これらの MOSFET の RONは 44mΩ（信号の完全性を維持するの に十分な値）で、最大 130W の電力を消費可能です。 これらの MOSFET の出力は、電流検出アンプの同相入 力電圧（VCM）となります。
電流検出アンプ
このアンプは、大きな同相電圧が存在する状態で小さ な差動信号を増幅します。このアプリケーションでテ ストした電流検出アンプは同相電圧が最大+80V で、 +5V 単電源から給電しました。
同相ステップ応答
電流検出アンプの出力に同相ステップ応答波形が生じ ます。この応答では、入力が反転または非反転かによ って決まる立上がりエッジまたは立下がりエッジの正 または負のピーキングによる波形を観測することがで きます。
同相ステップ応答測定用の簡略回路図を図 2 に示しま す。この回路図でモデル化した電流検出アンプは AD8210 です。
同相ステップ応答の測定結果
アナログ・デバイセズのシャント回路構成用の電流検 出アンプをいくつか評価し、競合他社から広く販売さ れている電流検出アンプと比較しました。最初に評価 した電流検出アンプ AD8210 は単電源、双方向電流検 出アンプで、−2V～+65V の同相電圧に耐えることがで きます。このデバイスは、出力オフセットの調整に用 いるリファレンス・ピン（VREF）と 20 倍の固定ゲイン を備えています。
電流シャント・アンプ構成の双方向ディファレンス・ アンプ AD8207 も評価しました。このデバイスは、+5V 電源で−4V～+65V の同相電圧、+3.3V 電源で−4V～ +35V の同相電圧に耐えることができます。また、500 nV/℃未満のオフセット・ドリフト（代表値）と 10 ppm/℃未満のゲイン・ドリフト（代表値）を実現する ゼロ・ドリフト・コアを採用しています。ゲインは、 20 倍の固定です。
AD8418 と AD8418A も評価しました。これら 2 つの電 流検出アンプは、全動作温度範囲で 0.1μV/℃のオフセ ット・ドリフト（代表値）を実現するゼロ・ドリフ ト・コアを採用し、−2V～+70V の同相電圧範囲を備え ています。また、これら 2 つのアンプは車載アプリケ ーションに対して十分に評価されており、入力 EMI フ ィルタと、パルス幅変調（PWM）タイプの入力同相電 圧で高精度の出力を可能にする特許取得済みの回路を 備えています。
+60V の入力同相電圧に対して、アナログ・デバイセズ の各種電流検出アンプと競合製品の波形の比較を図 3 に示します。
同相ステップ応答の測定手法
電流検出アンプの同相ステップ応答を正確に測定する には、接続、使用部品、部品配置に注意を払います。
接続
ノイズの誘導や発生、配線の干渉を防ぐため、電源、 波形発生器、入力、出力、オシロスコープのプローブ などのコネクタ配線やその他のインターフェース・コ ネクタは、テスト対象のデバイス（DUT）のできるだ け近くに配置する必要があります。
システム内に異なるグラウンド電位が生じることによ るグラウンド・ループの問題を防ぐため、グラウンド 接続は 1 点接地と呼ばれる 1 点に全て集めた接続にす る必要があります。
オシロスコープのプローブのグラウンドにワニ口クリ ップを使用する代わりに、プローブ・チップ・グラウ ンド（電線コイルのようなもの）を使ってこれをプロ ーブに挿入します。このようなプローブ・チップを入 手できない場合は、単線またはより線のコイルを作成 し、プローブ・ポイント（電流検出アンプの入力ピン と出力ピン）の隣に半田付けして必要な信号だけを測 定します。これにより、不要なリンギングやピーキン グを生じる可能性がある誘導性ノイズが除去されま す。
使用部品
回路のリップル電圧を低減するため、電源にバイパ ス・コンデンサを付加する必要があります。また、使 うコンデンサには配慮が必要です。セラミック・コン デンサは高安定性、高効率、低損失なので、バイパ ス・コンデンサに使用するのに適しています。
このアプリケーションで使用される入力同相電圧は +60V なので、MOSFET ドライバの負荷抵抗の電力定格 を大きくし、負荷抵抗を流れる大電流に耐えられるよ うにする必要があります。
MOSFET は逆回復時間が短いものにし、頻繁に行われ る MOSFET ダイオードの充放電によって生じる損失を 最小限に抑える必要があります。
部品配置
MOSFET、電流検出回路を含む MOSFET ドライバ回路 を構成するディスクリート・デバイスは MOSFET ドラ イバのできるだけ近くに配置して、AC インピーダンス を最小限に抑え、長いパターンによって生じるノイズ や干渉を防止する必要があります。
まとめ
テストして検証したように、アナログ・デバイセズの 電流検出アンプのオーバーシュートやアンダーシュー トは 700mV 未満です。競合製品にはほぼ 2V のオーバ ーシュートがあります。このアプリケーションで解説 したアナログ・デバイセズの電流検出アンプは、入力 同相電圧の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの両 方で、競合製品より速く安定しました。さらに、これ らのアンプは最大+60V の非常に高い入力同相電圧を実 際に除去します。競合製品に対するこれらの利点によ り、アナログ・デバイセズの電流検出アンプは、回路 誤動作の防止、過放電バッテリの防止、さらにはバッ テリ・モニタ、電源レギュレータ、電気自動車、発電 機、モーター制御などのシステムの健全性の維持に最 適です。
さらに詳しくは
このアプリケーション・ノートの 1 ページに示されて いるオートゼロ・アンプの同相ステップ応答の改善に 関する特許の詳細情報をオンラインで入手できます。
以下のデータシートも参照してください。
- AD8210
- AD8207
- AD8418
- AD8418A
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