В этой статье мы сравниваем усилители считывания тока и дифференциальные усилители, анализируя их архитектуры, эксплуатационные характеристики и различия в применении. Подчеркиваются преимущества усилителей считывания тока в полосе пропускания, коэффициенте подавления синфазного сигнала (CMRR) и высокочастотных применениях.

Архитектурные различия между усилителями считывания тока и дифференциальными усилителями

В отличие от дифференциальных усилителей, которые полагаются на входные резисторные сети для ослабления входных напряжений, усилители считывания тока обычно используют уникальную архитектуру. Они используют высоковольтные входные транзисторы для прямой обработки больших и быстро меняющихся синфазных напряжений, при этом точно усиливая небольшие дифференциальные шунтирующие напряжения (рисунок 1).

Рисунок 1. Пример усилителя тока

В дифференциальных усилителях входной дифференциальный сигнал сначала ослабляется резистивной сетью, а затем усиливается обратно до исходного входного уровня с дополнительным усилением для достижения окончательного усиления сигнала на выходе. Восстановление ослабленного входа до его исходной амплитуды сигнала потребляет часть продукта усиления-полосы пропускания внутреннего усилителя, жертвуя полосой пропускания для достижения дополнительного усиления.

Напротив, усилители считывания тока не ослабляют сигналы из-за их высоковольтных входных транзисторов, устраняя необходимость в дополнительном усилении для восстановления амплитуды сигнала. Это позволяет внутреннему операционному усилителю сохранять большую полосу пропускания для усиления сигнала.

Преимущества усилителей тока

Преимущество полосы пропускания: Например, дифференциальный усилитель AD8206 имеет полосу пропускания слабого сигнала -3 дБ 100 кГц, в то время как усилитель считывания тока AD8210 предлагает полосу пропускания 450 кГц. Расширенная полоса пропускания усилителей считывания тока делает их идеальными для высокочастотных приложений или сценариев, требующих обнаружения быстрых переходных токов.

Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR): усилители считывания тока обычно демонстрируют более высокий CMRR, как правило, в диапазоне от 100 дБ до 120 дБ или выше, тогда как большинство дифференциальных усилителей имеют CMRR от 80 дБ до 100 дБ.

Диапазон синфазного напряжения: Компромиссом за большую полосу пропускания усилителей считывания тока является отсутствие внутренних цепей ослабления. Это ограничивает их способность принимать чрезвычайно высокие синфазные входные напряжения по сравнению с дифференциальными усилителями. Однако усилители считывания тока по-прежнему поддерживают высокие диапазоны синфазного напряжения, обычно от 80 В до 100 В.

Преимущества усилителей тока при измерениях быстроменяющегося тока

Усилители считывания тока обычно используются для измерения больших токов переключения. При измерении этих токов на высокой стороне нагрузки синфазное напряжение на шунтирующем резисторе может быстро колебаться между уровнем земли и напряжением питания.

Эти быстрые изменения могут вызывать значительные переходные процессы на входе усилителя. В некоторых случаях переходные процессы синфазного напряжения могут превышать амплитуду самого сигнала. В идеале усилитель должен выдавать только выходной сигнал, отражающий усиленное дифференциальное напряжение датчика. Однако в практических приложениях выходной сигнал может демонстрировать синфазную реакцию на скачок.

Усилители считывания тока отлично подавляют синфазные переходные всплески, вызванные быстро меняющимися скачками синфазного напряжения, что делает их особенно подходящими для приложений считывания тока с быстро меняющимися амплитудами.

Применение усилителей тока в системах управления трехфазными двигателями

Яркий пример быстрого переключения синфазного напряжения происходит при измерении фазного тока трехфазной системы управления двигателем. В таких системах контроллер посылает сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на инверторный каскад для управления каждой фазой двигателя (рисунок 2).

Рисунок 2. Измерение тока управления трехфазным двигателем

Шунтирующий резистор подключается последовательно с двигателем для измерения дифференциального напряжения на нем, обеспечивая мгновенную обратную связь по току. Эта обратная связь позволяет контроллеру определять фазу каждого сигнала. При поступлении каждого импульса ШИМ синфазное напряжение на шунтирующем резисторе быстро переключается по всему диапазону питания от V- до V+. Эти быстрые переходы ШИМ требуют усилителей с высокой пропускной способностью и эффективным подавлением переходных выбросов во время нарастающих и падающих фронтов.