Trong bài viết này, chúng tôi so sánh bộ khuếch đại cảm biến dòng điện và bộ khuếch đại vi sai, phân tích kiến ​​trúc, đặc điểm hiệu suất và sự khác biệt trong ứng dụng của chúng. Những ưu điểm của bộ khuếch đại cảm biến dòng điện về băng thông, tỷ lệ loại bỏ chế độ chung (CMRR) và các ứng dụng tần số cao được nêu bật.

Sự khác biệt về kiến ​​trúc giữa bộ khuếch đại cảm biến dòng điện và bộ khuếch đại vi sai

Không giống như bộ khuếch đại vi sai, dựa vào mạng lưới điện trở đầu vào để làm giảm điện áp đầu vào, bộ khuếch đại cảm biến dòng điện thường sử dụng một kiến ​​trúc độc đáo. Chúng sử dụng các bóng bán dẫn đầu vào điện áp cao để xử lý trực tiếp các điện áp chế độ chung lớn và thay đổi nhanh trong khi khuếch đại chính xác các điện áp shunt vi sai nhỏ (Hình 1).

Hình 1. Ví dụ về Bộ khuếch đại cảm biến dòng điện

Trong bộ khuếch đại vi sai, tín hiệu vi sai đầu vào đầu tiên được làm suy yếu bởi một mạng điện trở, sau đó được khuếch đại trở lại mức đầu vào ban đầu với mức tăng bổ sung để đạt được mức khuếch đại tín hiệu cuối cùng ở đầu ra. Việc khôi phục đầu vào bị suy yếu về biên độ tín hiệu ban đầu của nó sẽ tiêu thụ một phần tích băng thông tăng của bộ khuếch đại bên trong, hy sinh băng thông để đạt được mức tăng bổ sung.

Ngược lại, bộ khuếch đại cảm biến dòng điện không làm suy giảm tín hiệu do có bóng bán dẫn đầu vào điện áp cao, loại bỏ nhu cầu tăng thêm để khôi phục biên độ tín hiệu. Điều này cho phép bộ khuếch đại hoạt động bên trong giữ lại nhiều băng thông hơn để khuếch đại tín hiệu.

Ưu điểm về hiệu suất của bộ khuếch đại cảm biến dòng điện

Ưu điểm về băng thông: Ví dụ, bộ khuếch đại vi sai AD8206 có băng thông tín hiệu nhỏ -3dB là 100 kHz, trong khi bộ khuếch đại cảm biến dòng điện AD8210 cung cấp băng thông là 450 kHz. Băng thông tăng lên của bộ khuếch đại cảm biến dòng điện khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng tần số cao hoặc các tình huống yêu cầu phát hiện các xung dòng điện nhanh.

Tỷ lệ loại bỏ chế độ chung cao (CMRR): Bộ khuếch đại cảm biến dòng điện thường thể hiện CMRR cao hơn, thường trong khoảng từ 100 dB đến 120 dB hoặc cao hơn, trong khi hầu hết các bộ khuếch đại vi sai có CMRR trong khoảng từ 80 dB đến 100 dB.

Phạm vi điện áp chế độ chung: Một sự đánh đổi cho băng thông lớn hơn của bộ khuếch đại cảm biến dòng điện là không có mạng lưới suy giảm bên trong. Điều này hạn chế khả năng chấp nhận điện áp đầu vào chế độ chung cực cao so với bộ khuếch đại vi sai. Tuy nhiên, bộ khuếch đại cảm biến dòng điện vẫn hỗ trợ phạm vi điện áp chế độ chung cao, thường là từ 80 V đến 100 V.

Ưu điểm của Bộ khuếch đại cảm biến dòng điện trong phép đo dòng điện thay đổi nhanh

Bộ khuếch đại cảm biến dòng điện thường được sử dụng để đo dòng điện chuyển mạch lớn. Khi đo các dòng điện này ở phía cao của tải, điện áp chế độ chung trên điện trở phân luồng có thể dao động nhanh giữa mức đất và điện áp cung cấp.

Những thay đổi nhanh chóng này có thể gây ra các xung điện áp đáng kể ở đầu vào của bộ khuếch đại. Trong một số trường hợp, xung điện áp chế độ chung có thể vượt quá biên độ tín hiệu. Lý tưởng nhất là bộ khuếch đại chỉ nên tạo ra đầu ra phản ánh điện áp cảm biến vi sai được khuếch đại. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, đầu ra có thể biểu hiện phản ứng bước chế độ chung.

Bộ khuếch đại cảm biến dòng điện có khả năng triệt tiêu các xung đột biến chế độ chung do các bước điện áp chế độ chung thay đổi nhanh, khiến chúng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng cảm biến dòng điện có biên độ thay đổi nhanh.

Ứng dụng của bộ khuếch đại cảm biến dòng điện trong hệ thống điều khiển động cơ ba pha

Một ví dụ điển hình về chuyển mạch điện áp chế độ chung nhanh xảy ra trong phép đo dòng pha của hệ thống điều khiển động cơ ba pha. Trong các hệ thống như vậy, bộ điều khiển gửi tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) đến tầng biến tần để điều khiển từng pha của động cơ (Hình 2).

Hình 2. Cảm biến dòng điện điều khiển động cơ ba pha

Một điện trở shunt được đặt nối tiếp với động cơ để đo điện áp vi sai trên nó, cung cấp phản hồi dòng điện tức thời. Phản hồi này cho phép bộ điều khiển xác định pha của từng tín hiệu. Khi mỗi xung PWM đến, điện áp chế độ chung tại điện trở shunt sẽ nhanh chóng chuyển đổi trên toàn bộ phạm vi cung cấp, từ V- sang V+. Các chuyển đổi PWM nhanh này đòi hỏi bộ khuếch đại có băng thông cao và khả năng ngăn chặn hiệu quả các xung đột thoáng qua trong các cạnh tăng và giảm.