Дифференциальный усилитель против усилителя измерения тока

Привет всем, я Роуз. Добро пожаловать в новый пост сегодня. Сегодня я сравню вам два усилителя. Дифференциальный усилитель и усилитель тока.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Обнаружение тока высокого плеча

Ⅱ. Основной принцип работы

Ⅲ. Различия между двумя чипами

Ⅳ. Краткое описание текущей схемы обнаружения

Ⅰ. Обнаружение тока высокого плеча

Во многих силовых электронных системах, таких как управление двигателем, привод катушек и управление питанием, необходимо обнаруживать положительный выходной ток источника питания ( также известный как обнаружение тока на стороне высокого плеча: измерение тока на стороне высокого плеча) (например, Преобразование постоянного тока в постоянный , обнаружение батареи и т. д.). В этих приложениях измерение тока можно улучшить, измеряя ток на положительной (высокой стороне) источника питания , а не на отрицательной стороне (т. е. на стороне возврата тока). Например, можно определить ток короткого замыкания на землю, а также ток в обратном диоде. Получение тока питания через шунт на отрицательной стороне источника питания может привести к несоответствию потенциала земли. На рисунках 1 и 2 ниже показана конфигурация схемы, в которой используется высокий вывод для измерения токов двигателя и соленоида.

Фигура. 1 Обнаружение тока высокого плеча в цепи управления соленоидом

Фигура. 2. Схема обнаружения тока на стороне высокого плеча цепи привода двигателя с H-мостом.

Фигура. 3 Высококачественное обнаружение тока трехфазного двигателя

Когда ШИМ- привод используется в трех вышеупомянутых приложениях измерения тока, синфазное напряжение на резисторе измерения тока изменяется от 0 В до напряжения батареи. Силовой полевой транзистор в схеме генерирует входной сигнал ШИМ , который имеет периодические высокочастотные характеристики с быстрым нарастанием и спадом. В результате операционные усилители для обработки сигналов токовых шунтов на стороне верхнего плеча должны иметь исключительно сильное подавление синфазного сигнала, высокий коэффициент усиления, высокую точность и одновременно низкое (напряжение, ток) смещение.

Ток катушки возбуждения МОП-транзистора всегда течет сверху вниз в схеме возбуждения электромагнитной катушки, изображенной на рисунке 1, что позволяет обнаруживать однонаправленный ток в соответствии с критериями. Однако, поскольку ток в цепях управления двигателем, показанных на рисунках 2 и 3, является двунаправленным, схема должна быть способна обрабатывать как положительные, так и отрицательные сигналы тока.

Многие производители полупроводников теперь предлагают альтернативные микросхемы для усиления измерения тока на стороне высокого плеча, которые дизайнеры могут найти полезными. Одна из наиболее важных вещей, о которых следует помнить, заключается в том, что все альтернативные микросхемы обнаружения тока можно разделить на две категории: микросхемы усилителей обнаружения тока и микросхемы дифференциальных усилителей.

Чтобы помочь инженерам-электронщикам в выборе наиболее подходящего решения для измерения тока верхнего плеча для нужд приложения, мы выделим и объясним ключевые различия между следующими двумя типами микросхем обработки сигналов. Двунаправленный дифференциальный высоковольтный операционный усилитель AD8206 [3 ] и двунаправленный токоизмерительный усилитель AD8210[4] сравнивается ниже. Хотя эти два операционных усилителя имеют одни и те же внешние контакты и могут использоваться для измерения тока верхнего плеча, их характеристики и внутренняя конструкция различаются. Итак, с точки зрения практического применения, какой из них нам выбрать?

Ⅱ. Основные принципы работы

Интегрированный высоковольтный дифференциальный усилитель AD8206 может выдерживать напряжение силовой волны до 65 В, как показано на рисунке 4. Чтобы ограничить синфазное напряжение диапазоном входного напряжения операционного усилителя A1, используется резистор обратного напряжения 16,7:1. используется на входе чипа. К сожалению, делитель входного напряжения также соответствующим образом ослабляет дифференциальный сигнал, поэтому общий коэффициент усиления по напряжению 20 В/В может быть достигнут с использованием коэффициента усиления по напряжению 344 В/В, обеспечиваемого каскадами A1 и A2.

Фигура. 4 AD8206 Упрощенная схема

Положительное опорное напряжение может быть установлено на положительном входе выходного усилителя A2 в AD8206 с использованием источника опорного напряжения с низким импедансом для достижения двунаправленного измерения тока. Даже если синфазное напряжение отрицательное, микросхема может продолжать усиливать сигнал напряжения на токовом шунтирующем резисторе.

На рисунке 5 изображена схема усилителя датчика высоковольтного тока AD8210, выпущенная недавно. Он имеет те же функции, что и AD8206 , и использует те же обозначения контактов, но имеет другой принцип работы и использует другую технологию. индекс.

Фигура. 5 Внутренняя функциональная схема AD8210

Наиболее существенным отличием является то, что AD8210 не использует цепь затухающих резисторов для снижения напряжения мощной волны на входе. В процессе производства микросхемы XFCB создается высоковольтный триод для входной клеммы. Он может выдерживать напряжение до 65 В, поскольку соответствующее напряжение VCE может достигать 65 В. Входное напряжение в мужском режиме. На рис. 5 показано, как AD8210 усиливает слабый дифференциальный сигнал тока. Через R1 и R2 положительный и отрицательный выводы микросхемы первого усилителя A1 соединены с двумя выводами резистора выборки тока. A1 направляет ток через транзисторы Q1 и Q2, чтобы сбалансировать напряжение на положительных и отрицательных входных клеммах. На внутренне точно согласованных резисторах (нет синфазного напряжения) токи включения Q1 и Q2 образуют пропорциональное напряжение, которое усиливается и выводится усилителем A2. Выходное напряжение составляет 20:1 по отношению к входному дифференциальному напряжению, а на A2 подается напряжение +5 В. Входная структура усилителя тока AD8210 требует, чтобы напряжение силовой волны входного сигнала было больше 2 В или 3 В и не могло быть меньше 0. Встроенный подтягивающий резистор AD8210 повышает входное напряжение A1 так, чтобы входное напряжение Синфазное напряжение может составлять всего -2 В.

Ⅲ. Различия между двумя чипами

Механизмы функционирования усилителя измерения тока (AD8210) и дифференциального усилителя (AD8210) очевидно различны (AD8206). Первый включает преобразование входного дифференциального сигнала в отдельные токи на землю с последующим преобразованием внутреннего сопротивления микросхемы в дифференциальный сигнал без синфазного напряжения и отправкой большого выходного сигнала через посткаскадную операцию. Чтобы противостоять высокому синфазному напряжению, чип в первую очередь использует высоковольтную полупроводниковую технологию. Последний равномерно ослабляет сигнал с помощью входной цепи резисторов ослабления, а затем усиливает дифференциальный сигнал во входном сигнале с дифференциальным усилением. Для снижения высокого синфазного напряжения в микросхеме используется резисторная сеть.

Хотя ключевые показатели производительности двух чипов обсуждаются в их технических характеристиках, некоторые расхождения, основанные на внутренних структурных различиях, не сразу заметны. Ниже перечислены некоторые важные элементы, которые следует учитывать при разработке оптимального решения.

1. Полоса пропускания усилителя

Полоса частотной характеристики усилителя измерения тока обычно составляет лишь примерно одну пятую полосы частотной характеристики метода дифференциального усиления из-за ослабления входного сигнала. Несмотря на это, пропускной способности этих двух чипов достаточно для большинства приложений.

В магнитном приводе, например, часто необходим ШИМ-привод с частотой более 20 кГц. Для учета шума текущая полоса усиления сигнала должна быть больше 20 кГц. Поскольку стабильность среднего тока часто решается при магнитном управлении, требования к полосе пропускания сигнала невелики. Большая полоса усиления тока необходима для выборки тока при управлении двигателем, особенно для сбора тока по часовой стрелке при управлении сигналом ШИМ. Вместо AD8206 . В настоящее время следует рассмотреть возможность использования усилителя измерения тока (AD8210). Он имеет возможность обеспечить более точную форму тока для текущего сигнала.

Фигура. 6 Форма сигнала тока и форма сигнала напряжения, выводимые AD8206

2. Коэффициент подавления синфазного сигнала

Усилители тока могут обеспечить улучшенные характеристики подавления синфазного напряжения (CMR: Common-Mode Rejection ). Идеально согласованные внутри высоковольтные транзисторы, такие как AD8210, например, могут обеспечить CMR до 100 дБ. CMR AD8206 . который основан на сети резисторов затухания, составляет примерно 80 дБ, поскольку его точность может достигать только 0,01 процента.

3. Влияние сети внешних фильтров

На входе схемы усилителя добавлен RC- фильтр нижних частот для уменьшения шума тока. Например, Rf и Cf используются для создания фильтра нижних частот для текущего сигнала на диаграмме ниже.

Фигура. 7 Сеть входных фильтров

Входное сопротивление дифференциального усилителя составляет более 100 кОм. Входное сопротивление AD8206 . например, это 200к. Ошибка усиления составляет примерно 0,1 процента, если сопротивление внешнего фильтра тока Rf равно 200. Если ошибка согласования между двумя резисторами фильтра нижних частот Rf также составляет около 1%, эффект CMR составит около 94 дБ, что ненамного выше. чем 80 дБ устройства.

Однако он имеет очень высокое входное сопротивление синфазного сигнала для токоизмерительных усилителей. Однако входное сопротивление усилителя Rin составляет всего около 5 кОм для преобразования входного дифференциального напряжения в дифференциальный ток. Например, сопротивление Rin AD8210 составляет 3,5 кОм. Этот внешний фильтр нижних частот приводит к погрешности усиления до 5,4 процента! В то же время CMR также снижается до 59 дБ. При использовании усилителя тока особое внимание следует уделять характеристикам внешнего фильтра нижних частот, например сопротивлению фильтра, которое в идеале должно быть менее 10 Ом.

4. Входная перегрузка

Если нагрузка имеет чрезмерное напряжение и ток, она может генерировать большое дифференциальное напряжение на токоизмерительном усилителе AD8210, что может повредить микросхему. AD8206 с дифференциальным усилением обеспечивает более широкий диапазон допустимых перегрузок по току и перенапряжению нагрузки, поэтому добиться разрушения кристалла сложно.

5. Защита от обратного напряжения

В некоторых ситуациях напряжение питания оборудования может быть изменено на противоположное, что приводит к воспроизведению чрезвычайно высокого отрицательного синфазного напряжения на усилителе тока. Нечастое отрицательное синфазное напряжение хорошо переносится дифференциальным усилителем (AD8206) с входом сети резистора делителя напряжения, но с AD8210 ситуация значительно хуже. Поскольку входное сопротивление Rin микросхемы низкое, высокое отрицательное синфазное напряжение приведет к срабатыванию электростатического диода микросхемы , что приведет к повреждению внутренней схемы.

6. Входной ток смещения

В некоторых схемах маломощных приложений необходимо учитывать рабочий ток покоя чипа. Даже когда микросхема не запитана, сеть входных резисторов AD8206 использует ток питания высокого плеча. После выключения схемы соответствующий AD8210 также отключит внутреннюю транзисторную схему, потребляя очень небольшой ток источника питания . В результате AD8210 может лучше подходить для маломощных приложений с батарейным питанием.

Ⅳ. Краткое описание текущей схемы обнаружения

Электромобили, средства связи, потребительские товары и промышленные применения — все это требует высококачественного измерения тока. В конструкции может использоваться либо стратегия обнаружения, основанная на усилении дифференциального напряжения, либо схема обнаружения, основанная на измерении тока. Несмотря на то, что эти микросхемы имеют одинаковые функции и определения выводов, когда требуется высокая точность сбора данных и надежность системы, крайне важно рассмотреть и выбрать приемлемый метод обнаружения тока, основанный на различных внутренних механизмах двух схем. В таблице ниже показано сравнение двух вариантов.

Каковы четыре метода входа и выхода дифференциальных усилителей?

Существует четыре режима входа и выхода дифференциального усилителя: двусторонний вход, несимметричный вход, двусторонний выход и несимметричный выход.

В чем разница между дифференциальным усилителем и дифференциальным усилителем?

Дифференциальный усилитель имеет форму симметричной трубки, и может быть сигнал дифференциального режима и синфазный сигнал.

Дифференциальный усилитель не имеет синфазного сигнала, а только усиливает сигнал дифференциального режима и не требует учета Avc при расчете.

Фигура. 8. Сравнение схем усиления тока и дифференциального усиления

Frequently Asked Questions

1. Каковы четыре метода ввода и вывода дифференциальных усилителей?

2. В чем разница между дифференциальным усилителем и дифференциальным усилителем?

Дифференциальный усилитель имеет форму симметричной трубки, и может быть сигнал дифференциального режима и синфазный сигнал. Дифференциальный усилитель не имеет синфазного сигнала, а только усиливает сигнал дифференциального режима и не требует учета Avc при расчете.

3. Как использовать усилитель тока?

Двумя распространенными методами измерения тока являются измерения на стороне высокого и низкого уровня. В обоих случаях на пути тока размещается небольшой измерительный резистор, и напряжение на резисторе можно измерить с помощью схемы на основе усилителя. При измерении по нижнему плечу сенсорный резистор размещается между нагрузкой и землей; в то время как при измерении по верхнему плечу сенсорный резистор размещается между положительным источником питания и нагрузкой. Оба подхода имеют фундаментальные системные компромиссы, а также разные требования к схемам.