In diesem Artikel vergleichen wir Strommessverstärker und Differenzverstärker und analysieren ihre Architektur, Leistungsmerkmale und Anwendungsunterschiede. Die Vorteile von Strommessverstärkern hinsichtlich Bandbreite, Gleichtaktunterdrückung (CMRR) und Hochfrequenzanwendungen werden hervorgehoben.

Architektonische Unterschiede zwischen Strommessverstärkern und Differenzverstärkern

Im Gegensatz zu Differenzverstärkern, die zur Dämpfung der Eingangsspannungen auf Eingangswiderstandsnetzwerke angewiesen sind, verfügen Strommessverstärker typischerweise über eine einzigartige Architektur. Sie nutzen Hochspannungs-Eingangstransistoren, um große und schnell schwankende Gleichtaktspannungen direkt zu verarbeiten und gleichzeitig kleine Differenzial-Shuntspannungen präzise zu verstärken (Abbildung 1).

Abbildung 1. Beispiel eines Strommessverstärkers

Bei Differenzverstärkern wird das Eingangsdifferenzsignal zunächst durch ein Widerstandsnetzwerk gedämpft und dann mit zusätzlicher Verstärkung auf den ursprünglichen Eingangspegel zurückverstärkt, um die endgültige Signalverstärkung am Ausgang zu erreichen. Die Wiederherstellung der ursprünglichen Signalamplitude des gedämpften Eingangssignals verbraucht einen Teil des Verstärkungs-Bandbreiten-Produkts des internen Verstärkers, wodurch Bandbreite für die zusätzliche Verstärkung geopfert wird.

Im Gegensatz dazu dämpfen Strommessverstärker aufgrund ihrer Hochspannungs-Eingangstransistoren keine Signale, sodass keine zusätzliche Verstärkung zur Wiederherstellung der Signalamplitude erforderlich ist. Dadurch steht dem internen Operationsverstärker mehr Bandbreite für die Signalverstärkung zur Verfügung.

Leistungsvorteile von Strommessverstärkern

Bandbreitenvorteil: Beispielsweise verfügt der Differenzverstärker AD8206 über eine Kleinsignal-Bandbreite von -3 dB von 100 kHz, während der Strommessverstärker AD8210 eine Bandbreite von 450 kHz bietet. Dank ihrer größeren Bandbreite eignen sich Strommessverstärker ideal für Hochfrequenzanwendungen oder Szenarien, in denen schnelle Stromtransienten erkannt werden müssen.

Hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR): Strommessverstärker weisen im Allgemeinen ein höheres CMRR auf, typischerweise im Bereich von 100 dB bis 120 dB oder höher, während die meisten Differenzverstärker ein CMRR zwischen 80 dB und 100 dB haben.

Gleichtaktspannungsbereich: Ein Nachteil der größeren Bandbreite von Strommessverstärkern ist das Fehlen interner Dämpfungsnetzwerke. Dies schränkt ihre Fähigkeit ein, im Vergleich zu Differenzverstärkern extrem hohe Gleichtakt-Eingangsspannungen zu verarbeiten. Strommessverstärker unterstützen jedoch weiterhin hohe Gleichtaktspannungsbereiche, typischerweise zwischen 80 V und 100 V.

Vorteile von Strommessverstärkern bei Messungen schnell wechselnder Stromstärken

Strommessverstärker werden üblicherweise zur Messung großer Schaltströme eingesetzt. Bei der Messung dieser Ströme auf der Hochspannungsseite einer Last kann die Gleichtaktspannung am Shunt-Widerstand schnell zwischen Massepegel und Versorgungsspannung schwanken.

Diese schnellen Änderungen können erhebliche Spannungsspitzen am Verstärkereingang verursachen. In manchen Fällen können Gleichtaktspannungsspitzen die Signalamplitude selbst überschreiten. Idealerweise sollte der Verstärker nur einen Ausgang erzeugen, der die verstärkte Differenzspannung widerspiegelt. In praktischen Anwendungen kann der Ausgang jedoch eine Gleichtakt-Sprungantwort aufweisen.

Strommessverstärker zeichnen sich durch die Unterdrückung transienter Gleichtaktspitzen aus, die durch sich schnell ändernde Gleichtaktspannungsschritte verursacht werden, und eignen sich daher besonders für Strommessanwendungen mit sich schnell ändernden Amplituden.

Anwendung von Strommessverstärkern in dreiphasigen Motorsteuerungssystemen

Ein Paradebeispiel für schnelle Gleichtaktspannungsumschaltung ist die Phasenstrommessung eines dreiphasigen Motorsteuerungssystems. In solchen Systemen sendet der Controller Pulsweitenmodulationssignale (PWM) an die Wechselrichterstufe, um jede Phase des Motors anzutreiben (Abbildung 2).

Abbildung 2. Strommessung bei der Dreiphasenmotorsteuerung

Ein Shunt-Widerstand wird in Reihe mit dem Motor geschaltet, um die Differenzspannung zu messen und so eine sofortige Stromrückmeldung zu liefern. Diese Rückmeldung ermöglicht es dem Controller, die Phase jedes Signals zu bestimmen. Mit jedem PWM-Impuls schaltet die Gleichtaktspannung am Shunt-Widerstand schnell über den gesamten Versorgungsspannungsbereich von V- auf V+ um. Diese schnellen PWM-Übergänge erfordern Verstärker mit hoher Bandbreite und effektiver Unterdrückung transienter Überschwinger bei steigenden und fallenden Flanken.