使用AD8479構(gòu)建高電壓精密漏斗放大器

許多應(yīng)用需要在高共模電壓存在的情況下進(jìn)行差分測(cè)量，而有些測(cè)量電壓在幾百伏以上。在這些電壓下進(jìn)行精確測(cè)量不但很難，而且成本高昂。但是 ， AD8479 能夠輕松做到這一點(diǎn)。如AD8479數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，電阻網(wǎng)絡(luò)在提供單位差分增益的同時(shí)，將非常大的共模電壓衰減了60倍。然而，許多應(yīng)用可從漏斗放大器中受益，因?yàn)檫@種放大器能夠在承受高電壓同時(shí)，通過將信號(hào)衰減到可用的電壓閾值范圍內(nèi)來測(cè)量非常高的信號(hào)。通過利用AD8479中的精密電阻，內(nèi)置衰減系數(shù)來實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量。

由于AD8479將信號(hào)衰減了60倍，為實(shí)現(xiàn)單位差分增益設(shè)備內(nèi)部的其他運(yùn)算放大器就必須將該差分信號(hào)再放大60倍。該增益通過連接到負(fù)基準(zhǔn)電壓(Ref–)引腳的電阻和連接到輸出的電阻的比率實(shí)現(xiàn)。由于此處的目標(biāo)只是實(shí)現(xiàn)衰減，因此可通過將輸出信號(hào)反饋給Ref–引腳來旁路該增益。在此配置中，不再獲得單位增益，而是實(shí)現(xiàn)精密漏斗放大器。由于AD8479采用固定增益配置，放大器可適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)償，因此單位增益可能不穩(wěn)定。為保持穩(wěn)定性，此處的一個(gè)設(shè)計(jì)要求是確保在放大器的增益滾降之前，放大器處于初始預(yù)期增益中。AD8479數(shù)據(jù)手冊(cè)將典型帶寬列為310 kHz，因此負(fù)基準(zhǔn)電壓反饋應(yīng)在此頻率之前滾降。通過利用低通濾波器連接AD8479輸出，并緩沖濾波器的輸出（在濾 波器后加緩沖器），以及將緩沖器輸出反饋回AD8479的負(fù)基準(zhǔn)引腳，由此AD8479可構(gòu)建為高電壓精密漏斗放大器。

圖1. AD8479：增益為1/60的功能框圖。

對(duì)于精密信號(hào)鏈，將噪聲和失調(diào)電壓保持在最小值至關(guān)重要。為保證這一要求，需要具有低噪聲和低失調(diào)電壓的緩沖器。出于這些原因及其寬電源范圍，選擇運(yùn)放ADA4522作為單位增益緩沖器。這就使得ADA4522與AD8479采用相同的電源供電，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于ADA4522的輸入電壓最高不能超過V+減1.5 V，所以使用ADA4522需要權(quán)衡整個(gè)電路輸出電壓的范圍。由于AD8479和ADA4522具有寬電源范圍，在必要時(shí)增加電源電壓可以減輕對(duì)供電的壓力。AD8479的輸入電壓范圍限值為±600 V，因此使用±11.5 V或更高的電源電壓時(shí)（假定0 V基準(zhǔn)電壓），ADA4522的輸入電壓范圍不會(huì)限制整個(gè)電路。

對(duì)于低通濾波器，單極點(diǎn)RC濾波器會(huì)達(dá)到所需效果。還需要將低通濾波器中的電阻保持為最小值，以減少緩沖器的噪聲，因?yàn)檫\(yùn)放輸入端的電流噪聲乘以電阻值以及電阻本身的熱噪聲會(huì)最終影響運(yùn)放的輸出噪聲。此外，電阻值太小將需要大濾波電容才能實(shí)現(xiàn)相同的–3 dB頻率，這可能會(huì)超過AD8479的驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載能力。如前所述，直流增益為1/60，為了保證運(yùn)放的穩(wěn)定，300 kHz時(shí)的增益應(yīng)為單位增益。因此，由于使用了單極點(diǎn)RC濾波器，其應(yīng)在5 kHz時(shí)發(fā)生滾降。為了實(shí)現(xiàn)上述特性，RC值選擇10 nF和3.16 kΩ其RC也是標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容值。

圖2. AD8479：增益為1/60的示意圖。

如前所述，低通濾波器的–3 dB為5 kHz。由于緩沖器會(huì)為AD8479內(nèi)的運(yùn)算放大器提供負(fù)反饋，因此當(dāng)?shù)屯V波器在f > 5 kHz開始滾降時(shí)，AD8479的輸出增益也將同步增加。由于在低通濾波器 開始滾降時(shí)，AD8479輸出也以20 dB/十倍頻程的速率增加，由此濾波器的輸出和緩沖器輸出將持平。若緩沖器的輸出作為系統(tǒng)的輸出，則整個(gè)系統(tǒng)的帶寬將僅受AD8479的帶寬和輸出范圍的限制。這種限制是由于AD8479的輸出隨著輸出頻率大于5kHz后，其增益的增加而導(dǎo)致的，因此對(duì)于5 kHz及高于5 kHz的頻率，此電路需要在輸入電壓范圍和頻率之間進(jìn)行平衡。例如，150 kHz時(shí)30 V p-p輸入將具有–6 dB的AD8479輸出增益，從而產(chǎn)生15 V p-p，這接近AD8479的全功率帶寬。

圖3. AD8479：增益為1/60的改進(jìn)功能框圖。

圖4中的示波器顯示了AD8479的配置漏斗放大器的結(jié)果。通道1顯示的信號(hào)為100 Hz、1200 V p-p，為避免損壞示波器將信號(hào)衰減100倍。通道2是緩沖放大器的輸出，結(jié)果完全符合預(yù)期。對(duì)于1200 V p-p輸入，漏斗放大器的輸出為20 V p-p。

圖4. AD8479：增益為1/60的示波器輸入和輸出信號(hào)捕獲。

圖5中的示波器顯示了30 V p-p、100 kHz輸入信號(hào)的結(jié)果。和圖4中一樣，漏斗電路在100 kHz時(shí)也衰減1/60。

圖5. AD8479：100 kHz時(shí)增益為1/60的示波器輸入和輸出信號(hào)捕獲。

圖6顯示AD8479漏斗電路的階躍響應(yīng)。用15 V p-p方波驅(qū)動(dòng)輸入端可以實(shí)現(xiàn)建立時(shí)間在幾微秒以內(nèi)的250 mV p-p階躍響應(yīng)。

圖6. AD8479：增益為1/60的脈沖響應(yīng)。

由于AD8479漏斗放大器配置會(huì)以比標(biāo)準(zhǔn)AD84791倍增益低的多的增益（衰減）獲得差分信號(hào)，因此噪聲得以降低。對(duì)于漏斗放大器的配置，100 Hz的頻譜噪聲密度為27 nV/√Hz， 0.1 Hz至10 Hz范圍內(nèi)的電壓噪聲峰峰值為580nV。如您所見，這些噪聲值大約是AD8479數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出的噪聲值的1/60，因此濾波器和緩沖器對(duì)噪聲的影響可以忽略不計(jì)。這是由于在兩級(jí)放大器電路中，第二級(jí)的噪聲和失調(diào)電壓被第一級(jí)的增益分壓而至衰減。由于從AD8479 Ref–引腳到AD8479輸出引腳之間的增益為–59，此(-1)為緩沖器噪聲和失調(diào)電壓將減小的因子（1/（59+1））。

圖7. AD8479：增益為1/60的峰峰值噪聲(nV) 0.1 Hz至10 Hz。

AD8479的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是失調(diào)電壓和共模抑制比。由于AD8479的直流噪聲增益現(xiàn)在約為1，因此AD8479內(nèi)運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓將是AD8479數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)稱失調(diào)電壓的1/60th，AD8479 B級(jí)的失調(diào)電壓為±1 mV）。由于從AD8479的Ref–到其輸出的直流增益，緩沖器的失調(diào)電壓實(shí)際上降低了60倍，因此AD8479本身的失調(diào)電壓是造成電壓失調(diào)的主要原因。此電路產(chǎn)生的最大失調(diào)電壓為±17 μV。同樣，由于AD8479運(yùn)算放大器的直流噪聲增益不再為60，AD8479中的CMRR誤差也不會(huì)增加60倍。由于CMRR是共模增益與差分增益的比值，這兩個(gè)量都減少了60倍，因此對(duì)于AD8479漏斗放大器電路，這兩者的CMRR是相同的，AD8479 B級(jí)的CMRR為90 dB。

一種應(yīng)用是測(cè)量交流電動(dòng)機(jī)的電壓和電流。由于交流電源是數(shù)百伏電壓，因此很難準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電流和電壓。由于AD8479能夠在這些電壓下工作，因此可以使用分流器測(cè)量通過電機(jī)的電流。使用上述電路可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓的測(cè)量，由此可輕松實(shí)現(xiàn)精確的功率監(jiān)控解決方案。

圖8. AD8479：增益為1/60的高電壓阻抗測(cè)量。

盡管AD8479是固定單位增益放大器，但仍可實(shí)現(xiàn)精密漏斗放大器。漏斗放大器可用于許多應(yīng)用，包括補(bǔ)充測(cè)量針對(duì)相關(guān)電壓加載所需要的高壓電流的測(cè)量。雖然漏斗放大器的帶寬限制了輸入電壓范圍，但典型的市電頻率在限定的輸入電壓頻率范圍以內(nèi)，因此對(duì)于這些類型的測(cè)量，此電路性能是理想的。

AD8479

共模抑制比(CMRR)：90 dB（最小值）

310 kHz帶寬

增益非線性度：5 ppm（最大值）

失調(diào)電壓漂移：10 μV/°C（最大值）

增益漂移：5 ppm/°C（最大值）

共模電壓范圍：±600 V

軌到軌輸出

固定增益：1

寬電源范圍：±2.5 V至±18 V

電源電流：550 μA（典型值）

出色的交流規(guī)格

高精度直流性能

審核編輯：湯梓紅