複数の電流検出アンプを使用した単一のシャントと複数のシャントを使用した場合
Arduinoクローンを、スリープモードとアクティブモードを持つセンサーノードの消費電力を測定できる流速計に変えたいと思います。センサーノードの供給電圧は4〜6Vの範囲であり、スリープ中は測定しようとしている電流は1桁のマイクロアンペアの範囲ですが、送信中は最大150mAを消費する可能性があります。理想的には、校正後、測定範囲全体で1％未満の誤差を維持したいと思います。
この種の問題は時折発生するようです。こことここに回路をアクティブに切り替えるための提案があります。また、センシング範囲の手動切り替えを必要とするuCurrentと呼ばれるデバイスへの言及を見てきました。次に、この質問に出くわしました。さまざまな検出範囲に対応するために、さまざまな値のシャントを直列に使用することを提案する回答がありました。これは、で提案されたものと比較して解決策を判断するのに十分な知識はありませんが、エレガントな解決策として私を驚かせました。この質問、つまり、複数の電流センスアンプを使用して単一のシャントの電圧降下を測定することです。
私の質問は、2つの設計の相対的なメリットは何ですか（複数のシャント+ダイオードと複数のアンプを備えた単一のシャント）？
私の使用例では、法案に適合すると思われる現在のセンスアンプがいくつか見つかりました。
- 供給電圧を超えるコモンモード入力範囲
- 1桁のμV範囲の一般的なオフセット電圧
- 0.1％未満の一般的なゲインエラー
- 最大1000のゲイン
私は、1シャントを使用した場合、私は、50/500倍のゲイン電流センス・アンプを使用する場合がありますINA191の家族または50/1000倍INA21xの家族。50倍ゲインと1000倍ゲインの両方の電流検出アンプを0.2Ωシャントに接続すると、Arduinoクローンに組み込まれた14ビットADCの2つのチャネルを使用して、0〜2Vの範囲で測定し、24μAの精度で最大200mAをサンプリングできます。 1.22μAの精度で最大10mA（14ビットADCから13の使用可能なビットを想定）。
2つのシャントを使用する場合は、おそらく100倍のゲインを持つ2つの同一の電流検出アンプと、0.1Ωや10Ωなどの適切なシャントを選択する可能性があります。また、ADCを高抵抗シャントからの過電圧から保護するためにツェナーダイオードを追加したいかもしれません。
2つの設計のいずれかで精度が向上するのでしょうか、それとも測定範囲を大幅に拡大できるのでしょうか、それとも構築がより簡単で信頼性が高いのでしょうか。（編集：両方ともハイサイド電流測定に使用できます。これは良い習慣と考えられており、現在のメーターをより多くのプロジェクトで再利用できると思いますか？）
何らかの理由でこれが適切な比較ではない場合は、事前にお詫び申し上げます。私はまだいくつかの基本を理解しようとしています。その場合、関連資料へのポインタをいただければ幸いです。
回答
最も単純なアプローチは、単一の切り替え可能なゲインアンプを備えた単一のシャントです。これを使用できるかどうかは、正確な状況によって異なります。
最大電流で使用できる最大のシャント抵抗はどれですか？これは、電圧降下によって制限されます。たとえば、150 mAでは、1Ωの抵抗が150mV低下します。多分あなたはもっと耐えることができますか？
そのシャント抵抗を使用して、最小電流で十分な精度（ノイズ、オフセット）を提供するアンプを指定できますか？1 uAの1％の精度は10 nA、または同じシャント抵抗で10nVです。
現在利用可能ないくつかの優れたオートゼロアンプがありますが、それらは自信を持って10 nVの入力分解能に到達せず、μV領域にオフセットが見られる場合があります。nVに向かうと、どこからでもエラーが発生します。たとえば、ボード上の温度勾配によるゼーベック効果などです。たぶん、最低の電流範囲で1％の精度は必要ありません。たぶん、スリープ電流での解像度を向上させるために、重いフィルタリングで帯域幅を減らすことができます。
複数のアンプを使用することにはほとんど意味がありません。ゲインを切り替える必要がないという疑わしい利点を期待しています。1つの本当に良いアンプにお金を費やしてそのゲインを切り替える方が良いでしょう。
1つのシャント抵抗で低電流を処理できない場合は、何らかの形式のFETスイッチで切り替えられるか、ダイオードで自動的にルーティングされるかにかかわらず、少なくとも2つのシャント抵抗が必要です。ダイオードを使用すると、負荷電流が変化するにつれて大きな可変電圧降下が発生することに注意してください。あなたがそれを許容できるなら、あなたは単一の、はるかに大きなシャントを許容できますか？
私は、この種の非常に広範囲の電流測定に、シリコンダイオード、またはダイオード接続されたパワートランジスタ（対数法則をより忠実に追跡するため）を使用するのが大好きです。ただし、1％の精度要件は、ダイオードの使用を完全に超えています。10％の精度で満足できれば、それが可能になります。