AD8479漏斗放大器用于相關(guān)電壓補充高壓電流測量

作者：Matthew “Rusty” Juszkiewicz

許多應(yīng)用要求在存在大共模電壓（有些高達(dá)幾百伏）的情況下進行差分測量。在這些電壓下進行精密測量可能非常困難且昂貴。但是，AD8479能夠輕松做到這一點。如AD8479數(shù)據(jù)手冊所述，電阻網(wǎng)絡(luò)可將非常大的共模電壓衰減60倍，同時提供單位差分增益。然而，有許多應(yīng)用可以從漏斗放大器中受益，漏斗放大器能夠承受這些非常高的電壓，同時測量非常大的信號，直到更可用的電壓域。利用AD8479中的精密電阻，可以利用內(nèi)置衰減因子來實現(xiàn)此類測量。

由于AD8479將信號衰減60倍，因此器件內(nèi)部的運算放大器必須將該差分信號放大60倍，以實現(xiàn)單位差分增益。增益通過連接到負(fù)基準(zhǔn)（Ref–）引腳和輸出的電阻之比實現(xiàn)。由于此處的目標(biāo)僅實現(xiàn)衰減，因此可以通過將輸出信號饋回Ref–引腳來旁路增益。在這種配置中，不再獲得單位增益，而是實現(xiàn)了精密漏斗放大器。由于AD8479采用固定增益配置，放大器可能會得到適當(dāng)?shù)难a償，因此單位增益可能不穩(wěn)定。為了保持穩(wěn)定性，這里的一個設(shè)計要求是確保放大器在放大器增益滾降之前處于其原始預(yù)期增益。AD8479數(shù)據(jù)手冊列出的典型帶寬為310 kHz，因此負(fù)基準(zhǔn)電壓源反饋應(yīng)在此頻率之前滾降。通過低通濾波器連接AD8479輸出，緩沖濾波器輸出，并將緩沖器輸出路由回負(fù)基準(zhǔn)電壓源引腳，AD8479可用作極高電壓、精密漏斗放大器。

圖1.AD8479：增益為1/60框圖

對于精密信號鏈，將噪聲和失調(diào)保持在最小值非常重要。為了保持這一要求，需要具有低噪聲和低失調(diào)的緩沖器。出于這些原因，我們選擇了采用單位增益緩沖器配置的運算放大器ADA4522及其寬電源范圍。這使得ADA4522能夠由與AD8479相同的電源供電，從而降低了復(fù)雜性。使用ADA4522的一個缺點是整個電路輸出電壓范圍，因為ADA4522的輸入電壓范圍為V+的1.5 V。由于AD8479和ADA4522具有寬電源范圍，因此可以通過在必要時提高電源電壓來緩解這種權(quán)衡。AD8479的輸入電壓范圍限值為±600 V，因此，假設(shè)基準(zhǔn)電壓為4522 V，則使用±11.5 V或更高的電源電壓時，ADA0的輸入電壓范圍不會限制整個電路范圍。

對于低通濾波器，單極點RC濾波器將提供所需的結(jié)果。出于與緩沖器相同的原因，還希望將低通濾波電阻保持在最小值以降低其噪聲貢獻。此外，對于相同的–3 dB頻率，電阻值太小需要較大的濾波電容，這可能會超過AD8479的容性負(fù)載能力。如前所述，在直流時，增益為1/60，為了穩(wěn)定工作，300 kHz時的增益應(yīng)該是單位的，因此，由于使用單極RC濾波器，滾降應(yīng)該發(fā)生在5 kHz。對于RC值，選擇10 nF和3.16 kΩ，因為它們符合上述標(biāo)準(zhǔn)，并且也是標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2.AD8479：增益為1/60原理圖。

如上所述，低通濾波器的–3 dB為5 kHz。由于緩沖器為AD8479內(nèi)部的運算放大器提供負(fù)反饋，當(dāng)?shù)屯V波器開始滾降時，AD8479輸出增益將在f > 5 kHz時增加。由于一旦低通濾波器開始滾降，AD8479輸出將以20 dB/十倍頻程的速度增加，因此濾波器的輸出和緩沖器的輸出將持平。在緩沖器輸出端獲取系統(tǒng)輸出將提供僅受AD8479帶寬和輸出范圍限制的總帶寬。此限制是由于頻率大于8479 kHz時AD5輸出增益增加，因此，對于5 kHz及以上的頻率，該電路具有輸入電壓范圍與頻率權(quán)衡。例如，30 kHz時150 V p-p輸入的AD6輸出增益為–8479 dB，產(chǎn)生15 V p-p，接近AD8479的全功率帶寬。

圖3.AD8479：增益為1/60的改進框圖

圖4中的示波器捕獲顯示了AD8479漏斗放大器配置的結(jié)果。輸入信號為 100 Hz，1200 V p-p，顯示為通道 1，衰減系數(shù)為 100，以避免損壞示波器。通道2是緩沖放大器的輸出，結(jié)果完全符合預(yù)期。對于1200 V p-p輸入，漏斗放大器顯示20 V p-p。

圖4.AD8479：1/60示波器捕獲輸入和輸出信號的增益。

圖5中的示波器捕獲顯示了30 V p-p、100 kHz輸入信號的結(jié)果。如圖4所示，漏斗電路在1 kHz時提供相同的60/100衰減。

圖5.AD8479：1/60示波器增益捕獲100 kHz的輸入和輸出信號。

圖6顯示了AD8479漏斗電路的階躍響應(yīng)。用15 V p-p方波驅(qū)動輸入可產(chǎn)生250 mV p-p階躍響應(yīng)，該響應(yīng)在幾微秒內(nèi)建立。

圖6.AD8479：1/60脈沖響應(yīng)增益。

由于漏斗放大器AD8479配置不會像標(biāo)準(zhǔn)AD8479那樣增益差分信號，因此噪聲會降低。對于漏斗放大器配置，100 Hz時的頻譜噪聲密度為27 nV/√Hz，580.0 Hz至1 Hz的峰峰值電壓噪聲為10 nV。如您所見，這些噪聲值約為AD1數(shù)據(jù)手冊中所列值的60/8479，因此濾波器和緩沖器對噪聲的影響可以忽略不計。這是因為在兩級放大器電路中，第二級的噪聲和失調(diào)除以第一級的增益。由于AD8479 Ref–引腳到AD8479輸出的增益為–59，因此（減1）是降低緩沖器噪聲和失調(diào)的因素。

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

AD8479的兩個關(guān)鍵指標(biāo)是失調(diào)電壓和共模抑制比。由于AD8479在直流時的噪聲增益現(xiàn)在約為1，因此AD8479內(nèi)部運算放大器的失調(diào)將為1/60千AD8479數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的失調(diào)，B級型號為±1 mV。由于AD60的Ref–到輸出端的直流增益，緩沖器的失調(diào)實際上被分頻8479，因此AD8479本身的失調(diào)是失調(diào)的主要因素。該電路產(chǎn)生的最大失調(diào)為±17 μV。 同樣，由于運算放大器AD8479的直流噪聲增益不再為60，因此AD8479的CMRR誤差也不會增加60。由于CMRR是共模增益與差分增益之比，并且這兩個量都減少了60倍，因此AD8479漏斗放大器電路得到的CMRR相同，B級型號為90 dB。

一種應(yīng)用是測量交流電動機的電壓和電流。由于交流線路有數(shù)百個電壓，因此執(zhí)行精確的電流和電壓監(jiān)控可能很困難。由于AD8479能夠在這些電壓下工作，因此可以使用分流電阻測量通過電機的電流。使用上述電路，可以直接測量電機兩端的電壓，從而毫不費力地實現(xiàn)精確的功率監(jiān)控解決方案。

圖8.AD8479：增益為1/60的高壓阻抗測量。

雖然AD8479是一款固定單位增益放大器，但仍可以實現(xiàn)精密漏斗放大器。漏斗放大器可用于許多應(yīng)用，包括用負(fù)載兩端的相關(guān)電壓補充高壓電流測量。雖然漏斗放大器的帶寬限制了輸入電壓范圍，但典型的線路頻率完全在輸入限壓頻率范圍內(nèi)，因此電路性能非常適合這些類型的測量。

審核編輯：郭婷