50nA-50A,180dB动态自适应量程电流测量-硬件方案还原

我昨天写了这个东西 50nA-50A,180dB动态自适应量程电流测量 。但是要知道这东西就是一个白皮书，没有一些器件选型的东西。

这篇文章我就尝试给出若干硬件设计建议。

仪器的参数要求是：

1. 测量范围：50nA - 50A
2. 动态范围：30-bit (~180 dB)
3. 数据采样率：30kSps
4. 数据输出速率：1Hz - 1kHz
5. 测量精度：10⁹（1:1 billion）

核心想法是在低电流时使用高阻抗分流电阻，在高电流时使用低阻抗分流电阻。

低电阻（2mΩ）适合大电流测量，但无法处理 nA 级电流：

1. 50A 时，电压 = V=I×R=50A×2mΩ=100mV（较易测量）
2. 50nA 时，电压 = V=50nA×2mΩ=0.1nV（噪声淹没信号）

所以在电阻的设计上会分成两个段

1. 高阻抗分流电阻（2Ω） → 适用于小电流，提高测量信号电平。
2. 低阻抗分流电阻（2mΩ） → 适用于大电流，降低功耗。

还得计算一下ADC的分辨率，24Bit的都可以

大电流模式下的功率是5W，小电流就不说了

所以接下来是切换逻辑：

双向切换，我一开始不知道比较器的作用，现在知道了

1. 低电流模式（<100mA）：采用高阻抗分流电阻（2Ω），提高信号电平
2. 高电流模式（>100mA）：采用低阻抗分流电阻（2mΩ），避免过大功耗
3. 切换触发阈值：约 70mA（带迟滞，防止震荡）

但是切换的时候有个时间参数：

1. 高电流模式 → 低电流模式 需要滞后延迟（防止误触发） 要慢
2. 低电流模式 → 高电流模式 需要瞬间响应（防止烧毁电路）要快

所以这里就要设计两个切换的路径，主要是感知：

低电流 → 高电流时：

1. 采用高速MOSFET（GaN FET）
2. 由高速比较器（<100ns 响应时间） 触发

高电流 → 低电流时：

1. 采用软件控制或 ADC 平均滤波
2. 增加 迟滞（hysteresis），防止误切换

这些是推荐的参数

这个是大电流的

小电流的

英飞凌的MOS

没想到吧

TI的高速比较器

连接图是这样的

最后配一个新的OP

总结一下流程：

1. 分流电阻测量电流，产生电压信号
2. 高速比较器监测电流大小，决定是否切换分流电阻
3. 高速 MOSFET 控制电流路径
4. 运算放大器放大信号
5. ADC 采集信号
6. MCU 处理数据
7. 通过总线输出