В тази статия сравняваме токово-чувствителни усилватели и диференциални усилватели, анализирайки техните архитектури, характеристики на работа и разлики в приложенията. Подчертаваме предимствата на токово-чувствителните усилватели по отношение на честотната лента, коефициента на потискане на синфазния сигнал (CMRR) и високочестотните приложения.

Архитектурни разлики между усилвателите на токово измерване и диференциалните усилватели

За разлика от диференциалните усилватели, които разчитат на входни резисторни мрежи за намаляване на входните напрежения, токоизмервателните усилватели обикновено използват уникална архитектура. Те използват високоволтови входни транзистори за директно обработване на големи и бързо променящи се синфазни напрежения, като същевременно точно усилват малки диференциални шунтиращи напрежения (Фигура 1).

Фигура 1. Пример за усилвател на токово измерване

В диференциалните усилватели, входният диференциален сигнал първо се отслабва от резисторна мрежа, след което се усилва обратно до първоначалното входно ниво с допълнително усилване, за да се постигне крайното усилване на сигнала на изхода. Възстановяването на отслабения вход до първоначалната му амплитуда изразходва част от произведението на усилването и честотната лента на вътрешния усилвател, жертвайки честотната лента, за да се постигне допълнително усилване.

За разлика от това, усилвателите с токово измерване не отслабват сигналите поради високоволтовите си входни транзистори, което елиминира необходимостта от допълнително усилване за възстановяване на амплитудата на сигнала. Това позволява на вътрешния операционен усилвател да запази по-голяма честотна лента за усилване на сигнала.

Предимства в производителността на усилвателите за измерване на ток

Предимство на честотната лента: Например, диференциалният усилвател AD8206 има честотна лента от -3dB за малки сигнали от 100 kHz, докато усилвателят за измерване на ток AD8210 предлага честотна лента от 450 kHz. Увеличената честотна лента на усилвателите за измерване на ток ги прави идеални за високочестотни приложения или сценарии, изискващи откриване на бързи токови преходни процеси.

Висок коефициент на отхвърляне на синфазен сигнал (CMRR): Усилвателите, работещи с ток, обикновено показват по-висок CMRR, обикновено в диапазона от 100 dB до 120 dB или по-висок, докато повечето диференциални усилватели имат CMRR между 80 dB и 100 dB.

Диапазон на синфазно напрежение: Компромис за по-голямата честотна лента на токово-чувствителните усилватели е липсата на вътрешни атенюационни мрежи. Това ограничава способността им да приемат изключително високи входни напрежения в синфазно състояние в сравнение с диференциалните усилватели. Въпреки това, токово-чувствителните усилватели все още поддържат високи диапазони на синфазно напрежение, обикновено между 80 V и 100 V.

Предимства на токоизмервателните усилватели при бързо променящи се измервания на ток

Усилвателите за измерване на ток обикновено се използват за измерване на големи комутационни токове. При измерване на тези токове от високата страна на товара, синфазното напрежение на шунтиращия резистор може бързо да се колебае между нивото на земята и захранващото напрежение.

Тези бързи промени могат да предизвикат значителни преходни процеси на входа на усилвателя. В някои случаи преходните процеси в синфазното напрежение могат да надвишат амплитудата на самия сигнал. В идеалния случай усилвателят трябва да произвежда само изходен сигнал, отразяващ усиленото диференциално измервано напрежение. В практически приложения обаче изходът може да показва стъпкова характеристика в синфазното напрежение.

Усилвателите за измерване на ток са отлични в потискането на преходни пикове в синфазен режим, причинени от бързо променящи се стъпки на синфазно напрежение, което ги прави особено подходящи за приложения за измерване на ток с бързо променящи се амплитуди.

Приложение на усилватели за измерване на ток в системи за управление на трифазни двигатели

Отличен пример за бързо превключване на напрежението в синфазен режим се случва при измерването на фазовия ток на система за управление на трифазен двигател. В такива системи контролерът изпраща сигнали за импулсно-широчинна модулация (PWM) към инверторния етап, за да управлява всяка фаза на двигателя (Фигура 2).

Фигура 2. Сензор за управление на тока на трифазен двигател

Шунтиращ резистор е свързан последователно с двигателя, за да измерва диференциалното напрежение върху него, осигурявайки мигновена обратна връзка по тока. Тази обратна връзка позволява на контролера да определи фазата на всеки сигнал. С пристигането на всеки PWM импулс, синфазното напрежение на шунтиращия резистор бързо превключва в целия диапазон на захранване, от V- към V+. Тези бързи PWM преходи изискват усилватели с висока честотна лента и ефективно потискане на преходните превишавания по време на нарастващи и низходящи фронтове.