【導(dǎo)讀】許多應(yīng)用需要在高共模電壓存在的情況下進(jìn)行差分測量，而有些測量電壓在幾百伏以上。在這些電壓下進(jìn)行精確測量不但很難，而且成本高昂。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)在提供單位差分增益的同時，將非常大的共模電壓衰減了60倍。
許多應(yīng)用需要在高共模電壓存在的情況下進(jìn)行差分測量，而有些測量電壓在幾百伏以上。在這些電壓下進(jìn)行精確測量不但很難，而且成本高昂。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)在提供單位差分增益的同時，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，因為這種放大器能夠在承受高電壓同時，通過將信號衰減到可用的電壓閾值范圍內(nèi)來測量非常高的信號。通過利用AD8479中的精密電阻，內(nèi)置衰減系數(shù)來實現(xiàn)這種測量。
由于AD8479將信號衰減了60倍，為實現(xiàn)單位差分增益設(shè)備內(nèi)部的其他運算放大器就必須將該差分信號再放大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現(xiàn)。由于此處的目標(biāo)只是實現(xiàn)衰減，因此可通過將輸出信號反饋給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，此處的一個設(shè)計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。
對于精密信號鏈，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，在必要時增加電源電壓可以減輕對供電的壓力。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（假定0 V基準(zhǔn)電壓），ADA4522的輸入電壓范圍不會限制整個電路。
對于低通濾波器，單極點RC濾波器會達(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，因為運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最終影響運放的輸出噪聲。此外，電阻值太小將需要大濾波電容才能實現(xiàn)相同的–3 dB頻率，這可能會超過AD8479的驅(qū)動容性負(fù)載能力。如前所述，直流增益為1/60，為了保證運放的穩(wěn)定，300 kHz時的增益應(yīng)為單位增益。因此，由于使用了單極點RC濾波器，其應(yīng)在5 kHz時發(fā)生滾降。為了實現(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。由于緩沖器會為AD8479內(nèi)的運算放大器提供負(fù)反饋，因此當(dāng)?shù)屯V波器在f > 5 kHz開始滾降時，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，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顯示的信號為100 Hz、1200 V p-p，為避免損壞示波器將信號衰減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捕獲。
圖5中的示波器顯示了30 V p-p、100 kHz輸入信號的結(jié)果。和圖4中一樣，漏斗電路在100 kHz時也衰減1/60。
圖5. AD8479：100 kHz時增益為1/60的示波器輸入和輸出信號捕獲。
圖6顯示AD8479漏斗電路的階躍響應(yīng)。用15 V p-p方波驅(qū)動輸入端可以實現(xiàn)建立時間在幾微秒以內(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漏斗放大器配置會以比標(biāo)準(zhǔn)AD84791倍增益低的多的增益（衰減）獲得差分信號，因此噪聲得以降低。對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)手冊中列出的噪聲值的1/60，因此濾波器和緩沖器對噪聲的影響可以忽略不計。這是由于在兩級放大器電路中，第二級的噪聲和失調(diào)電壓被第一級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)運算放大器的失調(diào)電壓將是AD8479數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)稱失調(diào)電壓的1/60th，AD8479 B級的失調(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運算放大器的直流噪聲增益不再為60，AD8479中的CMRR誤差也不會增加60倍。由于CMRR是共模增益與差分增益的比值，這兩個量都減少了60倍，因此對于AD8479漏斗放大器電路，這兩者的CMRR是相同的，AD8479 B級的CMRR為90 dB。
一種應(yīng)用是測量交流電動機的電壓和電流。由于交流電源是數(shù)百伏電壓，因此很難準(zhǔn)確監(jiān)測電流和電壓。由于AD8479能夠在這些電壓下工作，因此可以使用分流器測量通過電機的電流。使用上述電路可以實現(xiàn)電機電壓的測量，由此可輕松實現(xiàn)精確的功率監(jiān)控解決方案。
圖8. AD8479：增益為1/60的高電壓阻抗測量。
盡管AD8479是固定單位增益放大器，但仍可實現(xiàn)精密漏斗放大器。漏斗放大器可用于許多應(yīng)用，包括補充測量針對相關(guān)電壓加載所需要的高壓電流的測量。雖然漏斗放大器的帶寬限制了輸入電壓范圍，但典型的市電頻率在限定的輸入電壓頻率范圍以內(nèi)，因此對于這些類型的測量，此電路性能是理想的。
(來源：亞德諾半導(dǎo)體)
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