W tym artykule porównujemy wzmacniacze wykrywające prąd i wzmacniacze różnicowe, analizując ich architekturę, charakterystykę wydajności i różnice w zastosowaniach. Podkreślono zalety wzmacniaczy wykrywających prąd w zakresie szerokości pasma, współczynnika tłumienia sygnału wspólnego (CMRR) i zastosowań o wysokiej częstotliwości.

Różnice architektoniczne między wzmacniaczami wykrywającymi prąd a wzmacniaczami różnicowymi

W przeciwieństwie do wzmacniaczy różnicowych, które polegają na sieciach rezystorów wejściowych w celu tłumienia napięć wejściowych, wzmacniacze wykrywające prąd zazwyczaj wykorzystują unikalną architekturę. Wykorzystują tranzystory wejściowe wysokiego napięcia do bezpośredniej obsługi dużych i szybko zmieniających się napięć wspólnych, jednocześnie dokładnie wzmacniając małe napięcia różnicowe bocznikowe (rysunek 1).

Rysunek 1. Przykład wzmacniacza wykrywającego prąd

We wzmacniaczach różnicowych sygnał różnicowy wejściowy jest najpierw tłumiony przez sieć rezystorów, a następnie wzmacniany z powrotem do pierwotnego poziomu wejściowego z dodatkowym wzmocnieniem, aby uzyskać końcowe wzmocnienie sygnału na wyjściu. Przywrócenie osłabionego sygnału wejściowego do jego pierwotnej amplitudy sygnału zużywa część iloczynu wzmocnienia i szerokości pasma wewnętrznego wzmacniacza, poświęcając szerokość pasma w celu uzyskania dodatkowego wzmocnienia.

Natomiast wzmacniacze wykrywające prąd nie tłumią sygnałów ze względu na tranzystory wejściowe wysokiego napięcia, co eliminuje potrzebę dodatkowego wzmocnienia w celu przywrócenia amplitudy sygnału. Dzięki temu wewnętrzny wzmacniacz operacyjny może zachować większą szerokość pasma dla wzmocnienia sygnału.

Zalety wzmacniaczy wykrywających prąd

Zaleta szerokości pasma: Na przykład wzmacniacz różnicowy AD8206 ma pasmo małego sygnału -3 dB wynoszące 100 kHz, podczas gdy wzmacniacz wykrywania prądu AD8210 oferuje pasmo 450 kHz. Zwiększona szerokość pasma wzmacniaczy wykrywania prądu sprawia, że ​​są one idealne do zastosowań o wysokiej częstotliwości lub scenariuszy wymagających wykrywania szybkich przejściowości prądu.

Wysoki współczynnik tłumienia sygnału wspólnego (CMRR): Wzmacniacze wykrywające prąd charakteryzują się zazwyczaj wyższym współczynnikiem CMRR, mieszczącym się w zakresie od 100 dB do 120 dB lub wyższym, podczas gdy większość wzmacniaczy różnicowych charakteryzuje się współczynnikiem CMRR mieszczącym się w przedziale od 80 dB do 100 dB.

Zakres napięcia wspólnego: Kompromisem dla większej szerokości pasma wzmacniaczy wykrywających prąd jest brak wewnętrznych sieci tłumienia. Ogranicza to ich zdolność do akceptowania ekstremalnie wysokich napięć wejściowych w trybie wspólnym w porównaniu ze wzmacniaczami różnicowymi. Jednak wzmacniacze wykrywające prąd nadal obsługują wysokie zakresy napięcia wspólnego, zwykle między 80 V a 100 V.

Zalety wzmacniaczy wykrywających prąd w pomiarach szybkozmiennych prądów

Wzmacniacze wykrywające prąd są powszechnie używane do pomiaru dużych prądów przełączających. Podczas pomiaru tych prądów po stronie wysokiego napięcia obciążenia napięcie wspólne na rezystorze bocznikowym może szybko wahać się między poziomem uziemienia a napięciem zasilania.

Te szybkie zmiany mogą indukować znaczące przejściowe sygnały na wejściu wzmacniacza. W niektórych przypadkach przejściowe sygnały napięcia w trybie wspólnym mogą przekraczać amplitudę samego sygnału. W idealnym przypadku wzmacniacz powinien wytwarzać jedynie sygnał wyjściowy odzwierciedlający wzmocnione różnicowe napięcie wykrywania. Jednak w praktycznych zastosowaniach sygnał wyjściowy może wykazywać odpowiedź skokową w trybie wspólnym.

Wzmacniacze wykrywające prąd doskonale tłumią przejściowe impulsy prądu wspólnego, które są spowodowane szybko zmieniającymi się skokami napięcia prądu wspólnego, dzięki czemu są szczególnie przydatne w zastosowaniach wykrywania prądu o szybko zmieniających się amplitudach.

Zastosowanie wzmacniaczy pomiaru prądu w układach sterowania silnikami trójfazowymi

Doskonałym przykładem szybkiego przełączania napięcia w trybie wspólnym jest pomiar prądu fazowego trójfazowego układu sterowania silnikiem. W takich układach sterownik wysyła sygnały modulacji szerokości impulsu (PWM) do stopnia inwertera, aby napędzać każdą fazę silnika (rysunek 2).

Rysunek 2. Pomiar prądu sterującego silnikiem trójfazowym

Rezystor bocznikowy jest umieszczony szeregowo z silnikiem, aby zmierzyć napięcie różnicowe na nim, zapewniając natychmiastowe sprzężenie zwrotne prądu. To sprzężenie zwrotne umożliwia sterownikowi określenie fazy każdego sygnału. Gdy nadchodzi każdy impuls PWM, napięcie wspólne na rezystorze bocznikowym szybko przełącza się w całym zakresie zasilania, od V- do V+. Te szybkie przejścia PWM wymagają wzmacniaczy o dużej szerokości pasma i skutecznym tłumieniu przepięć przejściowych podczas narastających i opadających krawędzi.