高端電流檢測:差動放大器vs.電流檢測放大器（一）

　　圖1. 典型電磁閥控制中的高端檢測

　　圖2. 典型H橋電機(jī)控制中的高端檢測

　　圖3. 典型三相電機(jī)控制中的高端檢測

　　在上述所有配置中，監(jiān)控負(fù)載電流的取樣電阻上的脈寬調(diào)制（PWM）共模電壓在從地到電源的范圍內(nèi)擺動。利用從電源級到FET的控制信號可以確定這個(gè)PWM輸入信號的周期、頻率和上升/下降時(shí)間。因此，監(jiān)控取樣電阻上電壓的差分測量電路要求極高共模電壓抑制與高壓處理能力，以及高增益、高精度和低失調(diào)——其目的是為了反映真實(shí)的負(fù)載電流值。

　　在使用單一控制FET的電磁閥控制（圖1）中，電流始終沿同一方向流動，因此單向電流檢測器就足夠了。在電機(jī)控制配置（圖2與圖3）中，電機(jī)相位進(jìn)行分流意味著取樣電阻中的電流沿著兩個(gè)方向流動，因此，需要雙向電流檢測器。

　　許多半導(dǎo)體供應(yīng)商都為高端電流檢測提供了多種方案，然后研究這類應(yīng)用的設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn)，這些方案都可以遵循兩個(gè)截然不同的高壓結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分類：電流檢測放大器和差動放大器。

　　接下來，我們將會詳細(xì)介紹這兩種架構(gòu)的重要差異，以幫助高端電流檢測設(shè)計(jì)工程師選擇最適合應(yīng)用的器件。我們將比較兩個(gè)高壓器件：AD8206雙向差動放大器，AD8210雙向電流檢測放大器。這兩個(gè)器件具有相同的引腳，都具備高端電流取樣監(jiān)控功能，但是其性能指標(biāo)與架構(gòu)卻不同。那么，如何選擇合適的器件呢？
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　　AD8206（圖4）是一款集成的高壓差動放大器， 通過內(nèi)置輸入電阻網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑤斎腚妷合魅踔?/16.7，使其能承受高達(dá)65 V的共模電壓，以使共模電壓保持在放大器A1的輸入電壓范圍內(nèi)。但是，其內(nèi)部的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)也會使差分信號以同樣比例衰減。為了實(shí)現(xiàn)AD8206的20 V/V增益，放大器A1與A2必須將差分信號放大大約334 V/V。

　　圖4. AD8206內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　這個(gè)器件通過將輸出放大器偏置到電源范圍內(nèi)的適當(dāng)電壓，來實(shí)現(xiàn)雙向輸入測量。電阻分壓網(wǎng)絡(luò)與放大器A2同向輸入端連接，外部低阻抗電壓施加到精密配置的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)偏置。AD8206的一個(gè)優(yōu)異特性是：當(dāng)共模電壓為-2 V（共模偏置則為250 mV，如圖所示）時(shí)，它能夠正確地放大差分輸入電壓。

　　AD8210（圖5）是最近推出的一款高壓電流檢測放大器，功能與AD8210一樣，并且引腳兼容。但是，AD8210的工作方式與差動放大器不同， 其性能指標(biāo)也不同。

　　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的輸入信號為0 V時(shí)，R1和R2中的電流相等。當(dāng)差分信號非零時(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量。

　　顯而易見，雖然電流檢測放大器和差動放大器工作方式不同，卻履行同樣的功能。差動放大器將高輸入電壓衰減，使信號達(dá)到放大器可以接受的電平。電流檢測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)。