In dit artikel vergelijken we huidige sense-versterkers en differentiële versterkers, waarbij we hun architectuur, prestatiekenmerken en toepassingsverschillen analyseren. De voordelen van huidige sense-versterkers op het gebied van bandbreedte, common-mode rejection ratio (CMRR) en hoogfrequente toepassingen worden belicht.

Architecturale verschillen tussen stroomsensorversterkers en differentiële versterkers

In tegenstelling tot differentiële versterkers, die afhankelijk zijn van ingangsweerstandsnetwerken om ingangsspanningen te verzwakken, maken stroomdetectieversterkers doorgaans gebruik van een unieke architectuur. Ze gebruiken hoogspanningsingangstransistoren om grote en snel variërende common-modespanningen direct te verwerken en tegelijkertijd kleine differentiële shuntspanningen nauwkeurig te versterken (figuur 1).

Figuur 1. Voorbeeld van een stroomsensorversterker

In differentiële versterkers wordt het ingangssignaal eerst verzwakt door een weerstandsnetwerk en vervolgens met extra versterking terugversterkt tot het oorspronkelijke ingangsniveau om de uiteindelijke signaalversterking aan de uitgang te bereiken. Het herstellen van de verzwakte ingang naar de oorspronkelijke signaalamplitude verbruikt een deel van het versterkingsbandbreedteproduct van de interne versterker, waardoor bandbreedte wordt opgeofferd om extra versterking te bereiken.

Stroomgevoelige versterkers verzwakken daarentegen geen signalen dankzij hun hoogspanningsingangstransistoren, waardoor er geen extra versterking nodig is om de signaalamplitude te herstellen. Hierdoor behoudt de interne operationele versterker meer bandbreedte voor signaalversterking.

Prestatievoordelen van stroomsensorversterkers

Bandbreedtevoordeel: De AD8206 differentiële versterker heeft bijvoorbeeld een -3dB bandbreedte van 100 kHz voor kleine signalen, terwijl de AD8210 stroomdetectieversterker een bandbreedte van 450 kHz biedt. De grotere bandbreedte van stroomdetectieversterkers maakt ze ideaal voor hoogfrequente toepassingen of scenario's waarbij snelle stroomtransiënten moeten worden gedetecteerd.

Hoge Common-Mode Rejection Ratio (CMRR): Stroommeetversterkers vertonen over het algemeen een hogere CMRR, doorgaans in het bereik van 100 dB tot 120 dB of hoger, terwijl de meeste differentiële versterkers een CMRR tussen 80 dB en 100 dB hebben.

Common-mode spanningsbereik: Een nadeel van de grotere bandbreedte van stroomdetectieversterkers is de afwezigheid van interne verzwakkingsnetwerken. Dit beperkt hun vermogen om extreem hoge common-mode ingangsspanningen te accepteren in vergelijking met differentiële versterkers. Stroomdetectieversterkers ondersteunen echter nog steeds hoge common-mode spanningsbereiken, doorgaans tussen 80 V en 100 V.

Voordelen van stroommeetversterkers bij snel veranderende stroommetingen

Stroommeetversterkers worden vaak gebruikt om grote schakelstromen te meten. Bij het meten van deze stromen aan de hoge kant van een belasting kan de common-modespanning over de shuntweerstand snel fluctueren tussen aardniveau en de voedingsspanning.

Deze snelle veranderingen kunnen aanzienlijke transiënten veroorzaken aan de ingang van de versterker. In sommige gevallen kunnen common-mode spanningstransiënten de signaalamplitude zelf overschrijden. Idealiter zou de versterker alleen een uitgangssignaal moeten produceren dat de versterkte differentiële detectiespanning weerspiegelt. In praktische toepassingen kan het uitgangssignaal echter een common-mode staprespons vertonen.

Stroomdetectieversterkers zijn uitstekend geschikt voor het onderdrukken van common-mode-transiënten die worden veroorzaakt door snel veranderende common-mode-spanningsstappen. Hierdoor zijn ze bijzonder geschikt voor stroomdetectietoepassingen met snel variërende amplitudes.

Toepassing van stroomsensorversterkers in driefasenmotorregelsystemen

Een goed voorbeeld van snelle common-mode spanningsschakeling is de fasestroommeting van een driefasenmotorregelsysteem. In dergelijke systemen stuurt de regelaar pulsbreedtemodulatie (PWM)-signalen naar de invertertrap om elke fase van de motor aan te sturen (figuur 2).

Figuur 2. Stroomdetectie voor driefasenmotorregeling

Een shuntweerstand wordt in serie met de motor geplaatst om de differentiële spanning erover te meten, wat zorgt voor een directe stroomfeedback. Deze feedback stelt de controller in staat de fase van elk signaal te bepalen. Bij elke PWM-puls schakelt de common-modespanning op de shuntweerstand snel over het volledige voedingsbereik, van V- tot V+. Deze snelle PWM-overgangen vereisen versterkers met een hoge bandbreedte en effectieve onderdrukking van transiënte overshoots tijdens opgaande en neergaande flanken.