設計目標

設計說明 I

該電路使用分壓器和 ±250mV 差分輸入、差分輸出 AMC1300B 隔離放大器進行高壓差分測量。由于 AMC1300B 是低輸入阻抗器件，因此更適合電流檢測應用。隔離放大器的輸入阻抗與輸入分壓器的相互作用會導致增益誤差。此外，從低阻抗輸入流出并流經電壓檢測電阻器的偏置電流會導致顯著的偏移誤差。我們將首先在不補償這些誤差的情況下進行設計。然后，觀察誤差的影響并用數學方法進行描述。最后，重新設計以限制誤差影響并觀察改進后的結果。

分壓器電路將輸入電壓從 ±240V 降至 ±250mV，以匹配隔離放大器的輸入范圍。AMC1300B 需要高側和低側兩個電源。高側電源通常使用浮動電源生成，或使用隔離式變壓器或隔離式直流/直流轉換器從低側生成。AMC1300B 可以測量 ±250mV 的差分信號（具有 8.2V/V 的固定增益），并輸出 ±2.05V 的隔離式差分輸出電壓（輸出共模電壓為 1.44V）。如《將差分輸出（隔離式）放大器連接到單端輸入 ADC》技術手冊）所示，差分輸出電壓可以根據需要通過額外的運算放大器和TLV6001設備進行縮放，以連接到ADC。

設計注意事項 I

1. 確認隔離放大器將保持在所需輸入信號范圍內的線性運行區域。如直流傳輸特性 I 部分所示，這一點通過直流掃描仿真來實現。
2. 確保電阻分壓器電路中使用的電阻器 (R1–R3) 能夠耗散電壓源提供的功率。
3. 檢查施加到器件上的輸入電壓是否保持在數據表規定的范圍內。如果超出輸入范圍，請確保輸入電流保持在 10mA 以下，以免損壞器件。如果系統易受瞬態事件影響，考慮在輸入中添加 TVS 二極管。

設計步驟 I

1. 根據輸入電壓源 (V_source) 與 AMC1300B 的滿量程輸入電壓 (V_{IN_AMC_FSR}) 之比計算所需的分壓器衰減。
   $\mathrm{GaIn}=\frac{V_{\mathrm{IN\_AMC\_FSR}}}{V_{源}}=\frac{250\mathrm{mV}}{240V}=\frac{1}{960}V/V$
2. 為分壓器（R1 和 R2）的頂部選擇一個電阻。請注意，功耗等于 I²R，根據歐姆定律，電流和電阻率成反比。電阻率的線性增加將導致功率的線性下降。因此，選擇大電阻值將總功耗降到最低。這些元件在分壓器的功耗中占據主要部分。因此，所選的 Rtop 值應滿足分壓器的峰值功率規格。
   $\mathrm{Rtop}=R1+R2$
   $P_{\mathrm{peak}} \le 15\mathrm{mW}$
   $P=I^{2}R=\frac{V^2}{R}, P_{peak}=\frac{{V_{peak}}^2}{R}$
   $\mathrm{Rtop}\ge \frac{{V_{\mathrm{peak}}}^2}{P_{\mathrm{peak}}}=\frac{{\left(240\right)}^2}{0.015}=3.86\mathrm{M\Omega }$
   $Rtop=4M\Omega$
3. 將 Rtop 電阻值拆分為多個電阻器以將每個電阻器所需的額定功率降到最低。
   $R1=R2=2\mathrm{M\Omega }$
4. 接下來，假設隔離放大器的輸入電阻很大。從電壓源這部分看到的輸入電壓將由 Rtop 與 R3 產生的分壓器效應決定。求解 R3。
   $V_{\mathrm{In}}=V_{源}\left(\frac{R3}{R3+\mathrm{Rtop}}\right)$
   $\frac{V_{\mathrm{In}}}{V_{源}}=\frac{R3}{R3+\mathrm{Rtop}}$
   $R3V_{\mathrm{In}}+{\mathrm{RtopV}}_{\mathrm{In}}=R3V_{源}$
   $R_{\mathrm{top}}{V}_{\mathrm{In}}=R_3\left(V_{源}-V_{\mathrm{In}}\right)$
   $R3=\frac{V_{\mathrm{In}}\mathrm{Rtop}}{V_{源}-V_{\mathrm{In}}}=\frac{\left(250\mathrm{mV}\right)\left(4\mathrm{M\Omega }\right)}{240V-250\mathrm{mV}}\approx 4.17\mathrm{k\Omega }$

直流傳輸特性 I

下圖顯示了 ±240V 電源的仿真輸出。將電源從 –300V 掃描到 +300V，觀察放大器的輸入和輸出電壓。放大器輸入端所需的線性范圍為 ±250mV，放大器輸出端的線性范圍為 ±2.05V。在放大器的輸入端，由于分壓器的分壓行為，我們期望偏移誤差為 0，增益約為 1.042mV/V。在放大器的輸出端，由于分壓器電壓源的衰減，加上 AMC1300B的固定增益為8.2V/V，我們同樣期望偏移誤差為 0 以及增益為 8.542mV/V。

從下圖中可以看出，仿真結果與所需的理想輸出不匹配。在放大器的輸入端，存在 107mV 的偏移電壓誤差。與該部件的 ±250mV 輸入范圍相比，這一數值明顯較大。此偏移誤差會傳遞到放大器的輸出端，其中，837mV 的偏移占據放大器 ±2.05V 輸出范圍的很大一部分。該電路還表現出顯著的增益誤差。盡管我們期望分壓器輸入的增益為 1.042mV/V ，器件輸出的增益為 8.540mV/V，但我們觀察到的增益分別為 0.853mV/V 和 6.842mV/V，產生的增益誤差約為18.1% 和 19.9% 。以下部分將定義更好的設計實踐。

設計說明 II

當使用具有大輸入電阻（例如 1MΩ 或更大）的器件時，上述方法適合用于電壓檢測應用。AMC1300B 器件的差分輸入阻抗為22kΩ，這導致了之前顯示的偏移誤差和增益誤差。在該電路配置中使用低輸入阻抗放大器進行電壓檢測時，可以通過以下公式估算偏移誤差和增益誤差。

增益誤差是由 R3 的非理想分壓造成的。由于放大器的輸入電阻大小與 R3 相當，因此從 R1 和 R2 流出的部分電流不會通過 R3，而是通過放大器的輸入端。結果導致放大器輸入端出現意外電壓降。因此，設計步驟 I 部分的步驟 4提供的公式將無效，必須使用一個更完整的公式，該公式應考慮到與 R3 并聯的放大器的輸入阻抗。偏移誤差是偏置電流通過電阻器R3從隔離放大器正輸入引腳流出的產物。R3 上的這一偏置電流會導致輸入端出現明顯的偏移電壓，這些偏移電壓隨后被放大并傳遞到輸出端。

使用前面的公式可以估算出設計步驟 I 部分中的電路誤差。使用典型的數據表值，差分輸入電阻為 22kΩ，輸入偏置電流為 30μA。由于 R3 的設計值為 4.17kΩ，因此期望放大器輸入端的增益誤差為 18.7%，偏移誤差為 125mV。相比之下，仿真誤差在放大器輸出端的增益誤差為 19.9%，在輸入端的偏移為 107mV。這些誤差公式可作為快速了解預期誤差幅度的重要工具。無需進行仿真，就可以了解最終用例是否可以接受預期誤差。

如《AMC1300 精密、±250mV 輸入、增強型隔離放大器》數據表 中所述，對于電壓檢測應用，引入與放大器反相端子串聯的 R3' 可以減少偏移誤差和增益誤差。放大器的偏置電流將在負輸入引腳上產生與正輸入引腳上類似的偏移。這將大大降低整體偏移電壓的幅度。此外，在選擇 R3 的值時，還將考慮放大器輸入電阻和 R3' 的影響。這將為 240V 電源提供更理想的分壓，并將改善整體增益誤差。

設計步驟 II - 考慮 R3'

如設計步驟 I 中所示，增益和 Rtop 電阻計算完全相同，我們更感興趣的是計算 R3 和 R3' 以提供最佳電路性能。

1. 請注意，電阻分壓器的底部將設置隔離放大器的輸入電壓范圍。R3 的理想值取決于增益、Rtop 和 Rind，其中 Rind 是放大器的差分輸入阻抗。提醒一下，Rtop 是 R1 + R2 的組合。
   $R3=\frac{\mathrm{Gain}\times \mathrm{Rtop}}{1-\mathrm{Gain}-(\mathrm{Gain}\times \frac{2\times \mathrm{Rtop}}{\mathrm{RInd}})}$
   $R3 = \frac{0.001042\times 4\mathrm{M\Omega }}{1-0.001042-\left(0.001042\times \frac{8\mathrm{M\Omega }}{22.22\mathrm{k\Omega }}\right)} = 6.67784 \mathrm{k\Omega }$
2. R3’ 的用途是抵消由流經 R3 的偏置電流引入的增益誤差。理想的 R3’ 將是 Rtop 與 R3 的并聯組合。使用以下公式來計算 R3’。
   $R3\text{'}=\frac{\mathrm{Rtop}\times R3}{\mathrm{Rtop}+R3}$
   $R3\text{'}=\frac{4\mathrm{M\Omega }\times 6.67784\mathrm{k\Omega }}{4\mathrm{M\Omega } + 6.67784\mathrm{k\Omega }} = 6.66671 \mathrm{k\Omega }$

這就是最終的理想電路配置。請注意，以紅色顯示的 Rind 表示 AMC1300B 的差分輸入電阻，不應添加到原理圖中。

直流傳輸特性 II

下圖顯示了采用新設計的情況下 ±240V 電源的仿真輸出。回顧一下，放大器輸入端所需的線性范圍為 ±250mV，放大器輸出端的線性范圍為 ±2.05V。

顯然，新設計大大改善了偏移誤差。輸入偏移電壓和增益誤差已降至零。修改后的電路還展示出更好的增益誤差性能，這是因為使用了更精確的計算方法來查找輸入分壓器所需的 R3 值以及理想的 R3' 值。

這項積極的成果得益于添加了 R3’ 來消除原始設計中由 AMC1300B 器件的偏置電流通過 R3 時引入的偏移電壓。缺點是 R3 和 R3’ 的理想值難以通過商業獲得，現實中，使用兩個如此接近的不同電阻值是不切實際的。

使用模擬工程師計算器，可以找到可用的最接近的 E189 系列電阻器值。在這兩種情況下，最接近R3 和 R3’ 計算理想值的 0.1% 電阻器值為 6.65kΩ。最終電路圖如下。

如下圖所示，當現成的電阻器用于 R3 和 R3' 時，電路性能仍然非常好。輸入端的增益誤差從 18.2% 降至 0.3%。輸出端的增益誤差從 19.9% 降至 0.4%。輸入端的偏移誤差降至 195μV，輸出端的偏移誤差降至 2mV。

交流傳輸特性 II

交流掃描驗證了期望看到的所需輸出的頻率范圍。從下面仿真圖可以看出，仿真增益為 –41.40dB 或 8.51mV/V ，與直流輸出圖中的增益結果相匹配。如上一部分所述，這一數值比較接近所需的 –41.37dB 或 8.54mV/V的輸出增益。該設計的仿真帶寬 313.1kHz 略高于數據表中 310kHz 典型帶寬規格所設定的期望值。

參考文獻

1. 《模擬工程師電路設計指導手冊》
2. 模擬工程師計算器
3. TI 精密實驗室

設計精選隔離運算放大器

設計備用隔離運算放大器