در این مقاله، ما تقویت‌کننده‌های حس جریان و تقویت‌کننده‌های تفاضلی را با هم مقایسه می‌کنیم و معماری، ویژگی‌های عملکردی و تفاوت‌های کاربردی آنها را تجزیه و تحلیل می‌کنیم. مزایای تقویت‌کننده‌های حس جریان در پهنای باند، نسبت رد حالت مشترک (CMRR) و کاربردهای فرکانس بالا برجسته شده است.

تفاوت‌های معماری بین تقویت‌کننده‌های جریان و تقویت‌کننده‌های تفاضلی

برخلاف تقویت‌کننده‌های تفاضلی که برای تضعیف ولتاژهای ورودی به شبکه‌های مقاومت ورودی متکی هستند، تقویت‌کننده‌های حس جریان معمولاً از یک معماری منحصر به فرد استفاده می‌کنند. آن‌ها از ترانزیستورهای ورودی ولتاژ بالا برای مدیریت مستقیم ولتاژهای حالت مشترک بزرگ و متغیر سریع استفاده می‌کنند، در حالی که ولتاژهای شنت تفاضلی کوچک را به طور دقیق تقویت می‌کنند (شکل 1).

شکل ۱. نمونه‌ای از یک تقویت‌کننده حس جریان

در تقویت‌کننده‌های تفاضلی، سیگنال تفاضلی ورودی ابتدا توسط یک شبکه مقاومتی تضعیف می‌شود، سپس با بهره اضافی به سطح ورودی اصلی تقویت می‌شود تا تقویت نهایی سیگنال در خروجی حاصل شود. بازگرداندن ورودی تضعیف‌شده به دامنه سیگنال اصلی خود، بخشی از حاصلضرب بهره در پهنای باند تقویت‌کننده داخلی را مصرف می‌کند و پهنای باند را برای دستیابی به بهره اضافی فدا می‌کند.

در مقابل، تقویت‌کننده‌های حس جریان به دلیل ترانزیستورهای ورودی ولتاژ بالای خود، سیگنال‌ها را تضعیف نمی‌کنند و نیاز به بهره اضافی برای بازیابی دامنه سیگنال را از بین می‌برند. این امر به تقویت‌کننده عملیاتی داخلی اجازه می‌دهد تا پهنای باند بیشتری را برای تقویت سیگنال حفظ کند.

مزایای عملکرد تقویت‌کننده‌های جریان

مزیت پهنای باند: به عنوان مثال، تقویت‌کننده تفاضلی AD8206 دارای پهنای باند سیگنال کوچک -3dB معادل 100 کیلوهرتز است، در حالی که تقویت‌کننده حسگر جریان AD8210 پهنای باند 450 کیلوهرتز را ارائه می‌دهد. پهنای باند افزایش‌یافته تقویت‌کننده‌های حسگر جریان، آنها را برای کاربردهای فرکانس بالا یا سناریوهایی که نیاز به تشخیص گذراهای جریان سریع دارند، ایده‌آل می‌کند.

نسبت رد حالت مشترک بالا (CMRR): تقویت‌کننده‌های حس جریان عموماً CMRR بالاتری را نشان می‌دهند، معمولاً در محدوده ۱۰۰ دسی‌بل تا ۱۲۰ دسی‌بل یا بالاتر، در حالی که اکثر تقویت‌کننده‌های تفاضلی CMRR بین ۸۰ دسی‌بل و ۱۰۰ دسی‌بل دارند.

محدوده ولتاژ حالت مشترک: یکی از معایب پهنای باند بیشتر تقویت‌کننده‌های حس جریان، عدم وجود شبکه‌های تضعیف داخلی است. این امر توانایی آنها را در پذیرش ولتاژهای ورودی حالت مشترک بسیار بالا در مقایسه با تقویت‌کننده‌های تفاضلی محدود می‌کند. با این حال، تقویت‌کننده‌های حس جریان هنوز از محدوده‌های ولتاژ حالت مشترک بالا، معمولاً بین ۸۰ ولت و ۱۰۰ ولت، پشتیبانی می‌کنند.

مزایای تقویت‌کننده‌های جریان در اندازه‌گیری‌های جریان با تغییرات سریع

تقویت‌کننده‌های حس جریان معمولاً برای اندازه‌گیری جریان‌های سوئیچینگ بزرگ استفاده می‌شوند. هنگام اندازه‌گیری این جریان‌ها در سمت بالای بار، ولتاژ حالت مشترک در سراسر مقاومت شنت ممکن است به سرعت بین سطح زمین و ولتاژ منبع تغذیه نوسان کند.

این تغییرات سریع می‌توانند باعث ایجاد گذراهای قابل توجهی در ورودی تقویت‌کننده شوند. در برخی موارد، گذراهای ولتاژ حالت مشترک ممکن است از دامنه سیگنال خود فراتر روند. در حالت ایده‌آل، تقویت‌کننده فقط باید خروجی‌ای تولید کند که منعکس‌کننده ولتاژ حس تفاضلی تقویت‌شده باشد. با این حال، در کاربردهای عملی، خروجی ممکن است پاسخ پله‌ای حالت مشترک از خود نشان دهد.

تقویت‌کننده‌های حس جریان در سرکوب جهش‌های گذرای حالت مشترک ناشی از پله‌های ولتاژ حالت مشترک با تغییرات سریع، عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند و این امر آنها را به ویژه برای کاربردهای حس جریان با دامنه‌های متغیر سریع مناسب می‌سازد.

کاربرد تقویت‌کننده‌های جریان در سیستم‌های کنترل موتور سه فاز

یک مثال بارز از سوئیچینگ سریع ولتاژ حالت مشترک در اندازه‌گیری جریان فاز یک سیستم کنترل موتور سه فاز رخ می‌دهد. در چنین سیستم‌هایی، کنترل‌کننده سیگنال‌های مدولاسیون پهنای پالس (PWM) را به مرحله اینورتر می‌فرستد تا هر فاز موتور را راه‌اندازی کند (شکل ۲).

شکل ۲. حسگر جریان کنترل موتور سه فاز

یک مقاومت شنت به صورت سری با موتور قرار می‌گیرد تا ولتاژ تفاضلی دو سر آن را اندازه‌گیری کند و بازخورد جریان لحظه‌ای را فراهم کند. این بازخورد به کنترلر امکان می‌دهد تا فاز هر سیگنال را تعیین کند. با رسیدن هر پالس PWM، ولتاژ حالت مشترک در مقاومت شنت به سرعت در کل محدوده تغذیه، از V- به V+ تغییر می‌کند. این انتقال‌های سریع PWM به تقویت‌کننده‌هایی با پهنای باند بالا و سرکوب مؤثر جهش‌های گذرا در طول لبه‌های بالارونده و پایین‌رونده نیاز دارند.