高端電流檢測(cè):差動(dòng)放大器vs.電流檢測(cè)放大器

　　圖5. AD8210功能示意圖

　　一個(gè)明顯的區(qū)別是輸入結(jié)構(gòu)不依靠電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來處理高共模電壓。輸入放大器包括一個(gè)采用XFCB IC制作工藝制造的高壓晶體管，由于此類晶體管的VCE擊穿電壓超過65 V，因此輸入端的共模電壓可以高達(dá)65 V。

　　電流檢測(cè)放大器如AD8210，采用如下方式放大小差分輸入電壓。輸入端通過R1和R2與差動(dòng)放大器相連。利用晶體管Q1和Q2，可以調(diào)整流過R1和R2的電流，從而使放大器A1輸入端的電壓為零。當(dāng)AD8210的輸入信號(hào)為0 V時(shí)，R1和R2中的電流相等。當(dāng)差分信號(hào)非零時(shí)，其中一個(gè)電阻的電流增加，而另外一個(gè)電阻的電流下降。電流差與輸入信號(hào)大小成比例，極性相同。流過Q1和Q2的差分電流由兩個(gè)精密調(diào)整的電阻轉(zhuǎn)換成以地為參考的差分電壓。接著，放大器A2利用低壓晶體管——由其5 V（典型值）電源供電——對(duì)該電壓進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)最終輸出增益達(dá)到20。

　　通常，只有輸入共模電壓保持在2 V或3 V以上時(shí)，這種架構(gòu)的電流檢測(cè)放大器才有用。不過，AD8210內(nèi)部的上拉電路能使放大器A1的輸入保持在5 V電源附近，即使輸入共模電壓下降到5 V以下，或低至–2 V。因此，在共模電壓以及器件的5 V電源以下時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)精確的差分輸入電壓測(cè)量。

　　顯而易見，雖然電流檢測(cè)放大器和差動(dòng)放大器工作方式不同，卻履行同樣的功能。差動(dòng)放大器將高輸入電壓衰減，使信號(hào)達(dá)到放大器可以接受的電平。電流檢測(cè)放大器將差分輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，然后再轉(zhuǎn)換至以地為參考的電壓；其輸入放大器因采用高壓制作工藝，能承受高共模電壓，。毫無疑問，兩個(gè)架構(gòu)的不同將導(dǎo)致其性能差異，設(shè)計(jì)工程師在選擇高端電流檢測(cè)解決方案時(shí)必須考慮這些性能差異。通常，廠商的數(shù)據(jù)手冊(cè)已提供了大部分信息，可根據(jù)精度、速度、功耗及其他參數(shù)對(duì)器件的類型做出正確判斷。然后，器件架構(gòu)內(nèi)在的某些重大差異是無法在數(shù)據(jù)手冊(cè)中立刻發(fā)現(xiàn)的，但這些也是非常重要的設(shè)計(jì)考慮事宜。下面給出了一些工程師在實(shí)現(xiàn)最佳解決方案時(shí)必須考慮的關(guān)鍵點(diǎn)。

帶寬：由于輸入衰減，許多差動(dòng)放大器的帶寬通常為電流檢測(cè)放大器的1/5。不過，差動(dòng)放大器較窄的帶寬仍足以支持大多數(shù)應(yīng)用。例如，許多電磁閥控制應(yīng)用的工作頻率不足20 kHz，，而電機(jī)控制出于噪聲考慮，通常必須在20 kHz以上。通常，電磁閥控制檢測(cè)平均電流，差動(dòng)放大器的帶寬非常適合這種應(yīng)用。另一方面，對(duì)于電機(jī)控制來說，瞬時(shí)電流非常關(guān)鍵，尤其是測(cè)量電機(jī)相位時(shí)，因此，具有較寬帶寬的電流檢測(cè)器架構(gòu)將更真實(shí)地反映實(shí)際電機(jī)電流。

　　共模抑制（CMR）：這兩種架構(gòu)之間輸入結(jié)構(gòu)的差異還導(dǎo)致CMR性能的不同。差動(dòng)放大器通常具有精密跟蹤精度高達(dá)0.01%的輸入電阻。在直流電壓時(shí)，這種匹配程度通常確保80 dB CMR。而電流檢測(cè)放大器因其晶體管輸入結(jié)構(gòu)，可以獲得更佳的匹配，因此其CMR不再取決于輸入電阻的匹配，通?？梢赃_(dá)到100 dB以上，除非共模電壓較低。例如， AD8210在輸入共模電壓低于5 V時(shí)，其能提供的CMR值與差動(dòng)放大器一樣，為80 dB。在這個(gè)電壓范圍下，由于其內(nèi)部存在著上拉電路，輸入結(jié)構(gòu)具有電阻性，CMR值與0.01%精密電阻匹配性相關(guān)。在整個(gè)范圍內(nèi)，電流檢測(cè)結(jié)構(gòu)將提供更好的共模抑制。

　　外部輸入濾波影響：如果在高端電流檢測(cè)應(yīng)用中使用外部濾波，架構(gòu)影響非常大。輸入濾波器的目的是平滑輸入噪聲和電流尖峰，結(jié)構(gòu)通常如圖6所示。

　　圖6. 輸入濾波器

　　不管架構(gòu)如何，每種放大器內(nèi)部都有精密調(diào)整的輸入電阻，任何附加的外部串聯(lián)電阻都產(chǎn)生失配，從而帶來增益誤差和CMR誤差，其計(jì)算公式如下（Rin是指定的放大器輸入電阻）：