高端電流檢測(cè):差動(dòng)放大器vs.電流檢測(cè)放大器（一）

　　圖1. 典型電磁閥控制中的高端檢測(cè)

　　圖2. 典型H橋電機(jī)控制中的高端檢測(cè)

　　圖3. 典型三相電機(jī)控制中的高端檢測(cè)

　　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(dòng)。利用從電源級(jí)到FET的控制信號(hào)可以確定這個(gè)PWM輸入信號(hào)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(cè)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(dòng)，因此單向電流檢測(cè)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(dòng)，因此，需要雙向電流檢測(cè)器。

　　許多半導(dǎo)體供應(yīng)商都為高端電流檢測(cè)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(cè)放大器和差動(dòng)放大器。

　　接下來，我們將會(huì)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(cè)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(dòng)放大器，AD8210雙向電流檢測(cè)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(dòng)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(huì)使差分信號(hào)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(hào)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(cè)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(cè)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(dòng)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(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)。