In questo articolo, confrontiamo gli amplificatori di rilevamento di corrente e gli amplificatori differenziali, analizzandone l'architettura, le caratteristiche prestazionali e le differenze applicative. Vengono evidenziati i vantaggi degli amplificatori di rilevamento di corrente in termini di larghezza di banda, rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) e applicazioni ad alta frequenza.

Differenze architettoniche tra amplificatori di rilevamento di corrente e amplificatori differenziali

A differenza degli amplificatori differenziali, che si basano su reti di resistori di ingresso per attenuare le tensioni di ingresso, gli amplificatori di rilevamento di corrente impiegano in genere un'architettura unica. Utilizzano transistor di ingresso ad alta tensione per gestire direttamente tensioni di modo comune elevate e in rapida variazione, amplificando al contempo con precisione piccole tensioni di shunt differenziali (Figura 1).

Figura 1. Esempio di un amplificatore di rilevamento della corrente

Negli amplificatori differenziali, il segnale differenziale di ingresso viene prima attenuato da una rete di resistori, quindi amplificato nuovamente al livello di ingresso originale con guadagno aggiuntivo per ottenere l'amplificazione finale del segnale in uscita. Ripristinare l'ampiezza del segnale di ingresso attenuato all'ampiezza originale consuma parte del prodotto guadagno-banda passante dell'amplificatore interno, sacrificando la banda passante per ottenere un guadagno aggiuntivo.

Al contrario, gli amplificatori di rilevamento di corrente non attenuano i segnali a causa dei loro transistor di ingresso ad alta tensione, eliminando la necessità di un guadagno aggiuntivo per ripristinare l'ampiezza del segnale. Ciò consente all'amplificatore operazionale interno di mantenere una maggiore larghezza di banda per l'amplificazione del segnale.

Vantaggi prestazionali degli amplificatori di rilevamento della corrente

Vantaggio in termini di larghezza di banda: ad esempio, l'amplificatore differenziale AD8206 ha una larghezza di banda di 3 kHz per piccoli segnali a -100 dB, mentre l'amplificatore di rilevamento di corrente AD8210 offre una larghezza di banda di 450 kHz. La maggiore larghezza di banda degli amplificatori di rilevamento di corrente li rende ideali per applicazioni ad alta frequenza o scenari che richiedono il rilevamento di transitori di corrente rapidi.

Elevato rapporto di reiezione di modo comune (CMRR): gli amplificatori di rilevamento della corrente presentano generalmente un CMRR più elevato, solitamente compreso tra 100 dB e 120 dB o superiore, mentre la maggior parte degli amplificatori differenziali ha un CMRR compreso tra 80 dB e 100 dB.

Intervallo di tensione di modo comune: un compromesso per la maggiore larghezza di banda degli amplificatori di rilevamento di corrente è l'assenza di reti di attenuazione interne. Questo limita la loro capacità di accettare tensioni di ingresso di modo comune estremamente elevate rispetto agli amplificatori differenziali. Tuttavia, gli amplificatori di rilevamento di corrente supportano comunque intervalli di tensione di modo comune elevati, tipicamente compresi tra 80 V e 100 V.

Vantaggi degli amplificatori di rilevamento della corrente nelle misurazioni di corrente a rapida variazione

Gli amplificatori di corrente sono comunemente utilizzati per misurare elevate correnti di commutazione. Quando si misurano queste correnti sul lato alto di un carico, la tensione di modo comune ai capi della resistenza di shunt può oscillare rapidamente tra il livello di terra e la tensione di alimentazione.

Queste rapide variazioni possono indurre transitori significativi all'ingresso dell'amplificatore. In alcuni casi, i transitori di tensione di modo comune possono superare l'ampiezza del segnale stesso. Idealmente, l'amplificatore dovrebbe produrre solo un'uscita che rifletta la tensione di rilevamento differenziale amplificata. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, l'uscita può presentare una risposta al gradino di modo comune.

Gli amplificatori di rilevamento della corrente sono eccellenti nel sopprimere i picchi transitori di modo comune causati da rapidi incrementi di tensione di modo comune, il che li rende particolarmente adatti per applicazioni di rilevamento della corrente con ampiezze rapidamente variabili.

Applicazione degli amplificatori di rilevamento della corrente nei sistemi di controllo dei motori trifase

Un esempio lampante di rapida commutazione della tensione di modo comune si verifica nella misurazione della corrente di fase di un sistema di controllo motore trifase. In tali sistemi, il controllore invia segnali a modulazione di larghezza di impulso (PWM) allo stadio inverter per pilotare ciascuna fase del motore (Figura 2).

Figura 2. Rilevamento della corrente di controllo del motore trifase

Un resistore shunt viene posizionato in serie al motore per misurare la tensione differenziale ai suoi capi, fornendo un feedback di corrente istantaneo. Questo feedback consente al controllore di determinare la fase di ciascun segnale. All'arrivo di ogni impulso PWM, la tensione di modo comune sul resistore shunt commuta rapidamente su tutto l'intervallo di alimentazione, da V- a V+. Queste rapide transizioni PWM richiedono amplificatori con elevata larghezza di banda e un'efficace soppressione delle sovraelongazioni transitorie durante i fronti di salita e di discesa.