1. 引言 在电机控制、电源管理、电池监测等应用中，电流采样是一个关键环节。通常，我们使用小阻值的采样电阻将电流信号转换为电压信号，再通过运放放大后送入ADC进行采集。本文将详细分析一种基于差分放大器的电流采样电路，包括信号放大、参考电压偏置、滤波保护以及ADC转换计算等内容。 2. 电路分析 2.1 采样电阻与信号获取 采样电阻：0.02Ω（20mΩ），流经电流 II 时产生压降： VU=I×0.02VU=I×0.02 差分信号：由于采样电阻两端电压可能浮动，需采用差分测量方式（而非单端对地测量）。 2.2 差分放大电路 运放配置：U4A 构成差分放大器，输入为 VUVU 和参考电压 VCC1.25=1.25VVCC1.25=1.25V。 放大倍数计算： Diff=RfRin=12kΩ1kΩ+1kΩ=6Diff=RinRf=1kΩ+1kΩ12kΩ=6 运放输出： Vout=6×VU+Vref=6×0.02×I+1.25V=0.12I+1.25VVout=6×VU+Vref=6×0.02×I+1.25V=0.12I+1.25V 1.25V 偏置作用：提供零电流基准，使ADC可检测正负电流（如电机正反转）。 2.3 ADC采集与电流计算 ADC输入：VoutVout 经过RC低通滤波（去噪）和ESD保护（防静电）后送入ADC。 电流计算公式： I=VADC−1.25V0.12I=0.12VADC−1.25V 动态范围（假设ADC参考电压2.5V）： 最大正向电流：(2.5V−1.25V)/0.12=10.42A(2.5V−1.25V)/0.12=10.42A 最大负向电流：(0V−1.25V)/0.12=−10.42A(0V−1.25V)/0.12=−10.42A 3. 关键设计考虑 3.1 电阻匹配与精度 差分放大器的精度取决于 RfRf 和 RinRin 的匹配程度，建议使用0.1%精度的电阻。 采样电阻（0.02Ω）应选择低温度系数（如锰铜合金）以减少温漂影响。 3.2 共模抑制比（CMRR） 运放的CMRR需足够高（如>80dB），以抑制共模噪声（如电源干扰）。 3.3 低通滤波设计 RC滤波截止频率 fc=12πRCfc=2πRC1，通常设置为高于信号带宽（如10kHz）但低于开关噪声频率（如PWM频率100kHz）。 3.4 参考电压稳定性 1.25V参考电压（如TL431或专用基准源）需低噪声、低温漂，否则会导致零电流漂移。 4. 实际应用与优化 4.1 校准方法 零点校准：在零电流时，测量ADC输出并存储偏移量。 增益校准：施加已知电流（如1A），调整软件计算系数。 4.2 扩展动态范围 若需更大电流范围，可： 降低差分增益（如改为Diff=3，Vout=0.06I+1.25VVout=0.06I+1.25V）。 提高ADC参考电压（如3.3V）。 4.3 PCB布局建议 采样电阻走线应尽量短，采用开尔文连接（Kelvin Sensing）减少寄生电阻影响。 模拟部分（运放、ADC）与数字部分（MCU）隔离，避免噪声耦合。 5. 总结 本文分析了基于差分放大器的电流采样电路，涵盖信号放大、ADC采集、滤波保护及计算校准方法。该方案适用于电机控制、电池管理等高精度电流检测场景，关键点在于电阻匹配、参考电压稳定性和噪声抑制。 关键公式回顾 运放输出：Vout=0.12I+1.25VVout=0.12I+1.25V 电流计算：I=VADC−1.25V0.12I=0.12VADC−1.25V 适用场景 电机相电流检测 电源电流监控 电池充放电管理
今天简单写一下MIPI的布局走线注意事项吧！记录一下！毕竟MIPI在高速领域使用还是比较多的。（1）为了能顺利通过EMC标准认证，一般来说MIPI建议走内存，并且能保证MIPI所有的走线都能有一个完整的参考面，不被其他参考面或者信号线给分割。（2）如果实在只能走表面，要注意MIPI整组信号线要做好包地处理，差分对之间的间距最少15mil。而包地线也要保证间隔200mil打一个地过孔。（3）连接座的AVDD/DOVDD/DVDD等电源管脚的去耦电容，一定要靠近连接座放置，一般都是放置在底层，同时需要保证足够多的电源过孔和铜皮的面积满足电气要求。（4）阻抗必须满足100Ω，而且误差不能大于±10%。禁止走直角线。（5）满足3W间距原则，如果实在无法满足3W的间距，至少也要满足2W的间距，且要远离其他高频信号线（如其他的时钟线，数据线等）。（6）CLK时钟线如果空间允许，最好能单独包地处理，地线每间距300mil打一个地过孔。（7）MIPI尽量少打孔，如果一定要打，最好成对打并加入地过孔。（8）蛇形等长也必须要做3W原则，至少2W。差分对内的误差尽量做到小于10mil，数据线与差分对之间的误差保证小于36mil。
本文整理了杨建国模电第四季课程的第八讲、负载电流检测课程中的绝大部分内容，包括高低侧检测方法的对比，以及低侧检测的两点注意事项，电阻自发热和ESR。高侧检测重点整理了AD629相对AD628的优点，以及它的一倍差分增益由来。
俗话说，运算放大器就是模电的终极目标。运算放大器（Operational Amplifier）是一种能够实现电信号（电压 / 电流 / 功率）放大的器件。不仅仅如此，它还可以作为缓冲器、滤波器、各种运算功能（积分、微分、乘法、对数）等。 运放拥有一对差分输入端（同相 u+ 与反相 u− 电压输入），一个单端输出端 uo，一对供电引脚 V+ 和 V−（大多数时候不画出）。它通过同相 u+ 和反相 u− 电压进行输入，在内部进行比较运算，并通过输出端 uo 放大输出。输出端 uo 输出阻抗为 0，流出的电流由正电源端子 V+ 提供，流入的电流由负电源端子 V− 提供。 当运算放大器工作在 线性区域 的时候，满足关系： uo=Auo(u+−u−) 其中，Auo 称为运算放大器的 开环电压增益（u 代表电压，o 代表 open），一般无穷大。 运放的工作状态 集成运放的电压传输特性如下图所示： 图中分为线性区和非线性区： 工作在线性放大区：斜线的斜率为开环电压增益。 工作在非线性区：即饱和状态，在图中是左右两端的水平线，输出电压为 −Uom（负电源端子 V− 的电压），或 +Uom（等同于正电源端子 V+ 的电压）。 运放的供电 运放的供电方式一般分 单电源 或 双电源。单电源下，V+ 接正电压，V− 接地。双电源一般指 V+ 接正电压，V− 接负电压。不同的供电方式带来了不同的频率性能和输入输出的范围。 除此之外，运放可以工作在正负电源（V+/V−）不对称的情况下（比如 V+ 为 5V，V− 为 -3V），它并不需要知道地的位置，但依然可以正常工作。 运放的轨至轨，指的是输出的电压能达到电源电压。比如，如果是一个非轨对轨的运放，假如供电为 0~5V，输出有可能只能达到 0.7~4.3V，而轨对轨输出则可以 0~5V。 运放的虚短与虚断 虚短 虚短是从电压的角度看的，在负反馈的条件下，正负两个输入端电压基本保持相等，近似于短路（但并不是真正短路），称为虚短。 参考负反馈的电路，可以看到，如果同相输入端电压略高于反相输入端，则负反馈电路会拉高反相输入端电压，直到与同相输入端电压相当；反之，如果同相输入端电压略低于反相输入端，则反相输入端电压也会跟随到此时同相输入端的电压。 虚断 虚断是从电流的角度看的，运放两个输入端输入阻抗很大，流入的的电流只有微安级别，近似为无电流流入也就是断路，称为虚断。 注：运放两个输入端输入阻抗很大，是对于一般情况而言。也有特例，比如电流反馈运放。 常用运放电路 因为运放的开环电压增益无穷大，所以需要通过特殊的电路结构来实现合适的放大效果。 电压跟随器 电压跟随器（也称 Buffer）用于高阻抗信号源和低阻性负载之间的缓冲。 同相放大器 同相放大器输出与输入是同相的，可将信号同相放大。 效果：通过调节 RG 与 RF 的阻值，使 VOUT 与 VIN 呈正比放大的关系。 原理： 因为虚短，所以 V−=VIN 因为续断，所以 V− 端输入电流可忽略不计，所以 IRG=IRF，根据欧姆定律，0–V−RG=V−−VOUTRF，得出 VOUT=VIN(RFRG+1)。 反相放大器 反相放大器输出与输入是反相的，可将信号放大并反转输出。 电压减法器 / 差动放大器 电压减法器 / 差动放大器可放大两个电压之差，抑制共模电压。 电压加法器 电压加法器用于多个电压求和。 低通滤波器 / 积分器 低通滤波器 / 积分器用于对信号的低通滤波，限制信号带宽。 高通滤波器 / 微分器 高通滤波器 / 微分器用于隔离直流信号、放大交流信号。 差分放大器 差分放大器用于从差分或单端信号源驱动差分输入 ADC。 仪表放大器 仪表放大器用于放大低电平差分信号，抑制共模信号。其中，VIN 为两个输入端之间的电压差值 运放的参数 开环电压增益 开环电压增益 Auo 表示运放工作在线性放大区下的放大倍数，用 dB 表示。 失调 / 偏移电压 失调电压 VOS（Input Offset Voltage）有时候也称输入偏置电压。指的是运放输入端为 0V 的条件下，理想运放输出应为零，但实际运放输出不为零，则实际输出电压除以增益得到的等效输入电压称为失调电压。失调电压实际上反映了运放内部的对称性。 失调电压的影响因素有温度（对应失调电压的温漂）、电源波动（对应电源抑制比）。失调电压是直流偏置，会叠加在输出上，如果输出为交流信号，只需考虑叠加后是否会超过供电电压导致信号失真。 我们知道，同相放大器的放大公式是 VOUT=VIN(RFRG+1)，如果考虑失调电压的影响，那么输出为 VOUT=(VIN+VOS)(RFRG+1)。 失调电压温漂 失调电压温漂 TCVOS 表示输入失调电压变化量与温度变化量的比值（芯片工作温度范围内）。 失调电压温漂会导致失调电压发生变化，影响运放输出。 输入失调电流 失调电流 IOS 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的差值。失调电流受制造工艺的影响。 IOS=IB++IB− 输入偏置电流 偏置电流 IB 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的均值。 IB=IB++IB−2 偏置电流受制造工艺的影响，双极型工艺输入偏置电流在 10nA~1μA 之间；场效应管工艺输入偏置电流一般低于 1nA。 可通过在同相端增加匹配电阻，消除误差。 增益带宽积 增益带宽积 GBW（Gain–bandwidth product，GBWP/GBW/GBP/GB）指在某频率（一般为运放增益衰减 -3dB）下开环电压增益与测量频率（带宽）的乘积。 GBW=Auo∗BW 增益带宽积受运放内结电容的频率响应特性影响。在设计中如果发现高频信号增益大小受限，则必须选用 GBP 参数较大的运放。 共模抑制比 共模抑制比 CMRR（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）指的是共模电压范围（CMVR）与此范围内的输入失调电压（ΔVOOS）变化的比值，结果用 dB 表示。 CMRR=20log(CMVRVOOS) 共模抑制比受电路对称性（失调电流等参数）、线性工作范围的影响。此参数是为了表示差分放大电路抑制共模信号、放大差模信号的能力。共模抑制比高，意味着可以更加抑制共模输入的干扰信号，提高信噪比。 转换速度 转换速度 SR（Slew Rate，SR）也称压摆率。表示在大信号条件下，输出电压变化的最大速率。 SR=2πfVpk 其中，f 为最大频率（一般为带宽），Vpk 是放大输出信号的最大峰峰值。 转换速度用于评价运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数。当输入信号变化斜率的绝对值小于 SR 时，输出电压才按线性规律变化。 其他参数 共模电压范围 CMVR：也称为输入电压范围，如果两个输入端输入电压超出此范围，输出将发生削波或过大非线性现象。 全功率带宽：指在单位增益下测得的最大频率，在此频率下可以得到一个正弦信号的额定输出电压，且压摆率不会导致信号失真。 工作电源电压范围：运放正常工作时，能施加的电源电压范围。 电源抑制比 PSRR：电源电压的变化与输入失调电压的变化之比，结果用 dB 表示。 建立时间：施加一个阶跃输入后，放大器建立至某一预定的精度水平或输出电压百分比所需的时间。 电源电流：放大器空载工作时电源电压需提供的电流。 根据参数选型 根据参数挑选运放，大致有以下步骤： 判断输入信号类型：直流需注意失调电流、失调电压；差分输入需判断是否选择仪表放大器；高频交流信号需注意增益带宽积 GBW 和转换速度 SR。 判断精度要求：需要考虑失调电压、偏置电流、失调电流、共模抑制比对精度影响，判断是否选用高阻运放或精密运放。 判断环境条件：需要注意运放的温度量程，注意温漂，注意电源纹波抑制比 PSRR 的影响。 判断其他要求：通道数、单 / 双电源供电（轨对轨信号失真小，可满幅值输出）、功率大小（高压 / 大电流情况下）。 根据用途选型 按照用途，运放大致分为： 通用运放：对各类要求均不高的器件，注重通用与性价比。 音频运放：超低噪声（高保真）、低功耗（高续航）。 高速运放（GBW≥50MHz）：低功耗、低噪声 SNR。 功率运放：高电压、大电流。 精密运放（Vos<1mV）：低失调电压，或低温漂、低噪声、低功耗、宽带宽。
在写运放的基本电路之前，首先说明一点，运放的“虚短”和“虚断”适用于深度负反馈的场合，这一点非常重要。 运放的“虚短”和“虚断”不可通过单个运放的同向端和反向端来判断，必须要看整个电路结构。 一.基本电路 1.反向放大 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： （Vin-V-）/R2=（V--Vout)/R3;V-=0V;得到Vout=-R3/R2; 2.同相放大 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： (0-Vin)/R2=(Vin-Vout)/R3;得到：Vout=(1+R3/R2)*Vin 3.加法电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： (V1-0)/R1+(V2-0)/R2=(0-Vout)/R3; 得到：Vout/R3=-(V1/R1+V2/R2) 在R1=R2=R3的情况下：Vout=V1+V2； 4.积分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： 0-Vout=C1fidt; i=Vin/R2则Vout=-C1/R2*fVindt;f为积分符号 5.微分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： C1*dVin/dt=-Vout/R2;则Vout=-R2*C1*dVin/dt; 6.差分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： 该放大电路的传递函数为： Vout=（R4/(R3+R4)）*（(R1+R2)/R1）*V1-R2/R1*V2; 若R1=R3；R2=R4;则上式可以简化为： Vout=(R2/R1)(V1-V2) 7.检测仪表0-20mA的采样电路 很多控制器接收0-20mA或者4-20mA的电流，电路将此电流信号转换为电压信号，再送到ADC转换为数字信号，上图就是一个典型的这样电路，如果4-20mA的电流通过R1，则会在R1上产生0.4-2V的电压差，由运放“虚断”的特性可知，运放输入端没有电流流过，则流过R2与R3的电流相等；流过R4与R5的电流相等，故有： （V2-Vy）/R4=Vy/R5； （V1-Vx）/R2=（Vx-Vout）/R3； Vx=Vy； V1-V2=0.4——2V； 最后得到Vout=(0.88-4.4)V; 8.将电压转化为电流电路 运放可以将电流信号转换为电压信号，也可以将电压信号转换为电流信号，上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射极反馈的。 根据“虚短”和“虚断”的原理，则有： （Vi-V1）/R1=（V1-V4）/R8; V2/R3=（V3-V2）/R5； V1=V2； 如果R1=R8；R3=R5；则由以上三式可得到： V3-V4=Vi； 则通过RL的电流为Vi/R6;如果负载小于100K，则通过RL与R6 的电流一样大。
关注回复“加群”，加入硬件电子学习交流群。本期的电路图来自ZLinear的开源数据采集板卡DL8884_RFN，是一个比较常见的电压偏置采集法（电路图已取得作者授权发文）。
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