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(jīng)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(shù)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(jù)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(nèi)的線性運行區(qū)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(xiàn)。
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(shù)據(jù)表規(guī)定的范圍內(nèi)。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(tǒng)易受瞬態(tài)事件影響，考慮在輸入中添加 TVS 二極管。

設計步驟 I

1. 根據(jù)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。
   $\mathrm{GaIn}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{IN\_AMC\_FSR}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{source}}}=\frac{250\mathrm{mV}}{240\mathrm{V}}=\frac{1}{960}\mathrm{V}/\mathrm{V}$
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(jù)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(jù)主要部分。因此，所選的 Rtop 值應滿足分壓器的峰值功率規(guī)格。
   $\mathrm{Rtop}=\mathrm{R}1+\mathrm{R}2$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{peak}} \le 15\mathrm{mW}$
   $P\mathit{=}{I}^{\mathit{2}}R\mathit{=}\frac{{\mathit{V}}^{\mathit{2}}}{\mathit{R}}\mathit{,}\mathit{ }{P}_{\mathit{p}\mathit{e}\mathit{a}\mathit{k}}\mathit{=}\frac{{{\mathit{V}}_{\mathit{p}\mathit{e}\mathit{a}\mathit{k}}}^{\mathit{2}}}{\mathit{R}}$
   $\mathrm{Rtop}\ge \frac{{{\mathrm{V}}_{\mathrm{peak}}}^2}{{\mathrm{P}}_{\mathrm{peak}}}=\frac{{\left(240\right)}^2}{0.015}=3.86\mathrm{M\Omega }$
   $Rtop=4M\Omega$
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。
   $\mathrm{R}1=\mathrm{R}2=2\mathrm{M\Omega }$
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(chǎn)生的分壓器效應決定。求解 R3。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{In}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{source}}\left(\frac{\mathrm{R}3}{\mathrm{R}3+\mathrm{Rtop}}\right)$
   $\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{In}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{source}}}=\frac{\mathrm{R}3}{\mathrm{R}3+\mathrm{Rtop}}$
   $\mathrm{R}3{\mathrm{V}}_{\mathrm{In}}+{\mathrm{RtopV}}_{\mathrm{In}}=\mathrm{R}3{\mathrm{V}}_{\mathrm{source}}$
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{top}}{\mathrm{V}}_{\mathrm{In}}={\mathrm{R}}_3\left({\mathrm{V}}_{\mathrm{source}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{In}}\right)$
   $\mathrm{R}3=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{In}}\mathrm{Rtop}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{source}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{In}}}=\frac{\left(250\mathrm{mV}\right)\left(4\mathrm{M\Omega }\right)}{240\mathrm{V}-250\mathrm{mV}}\approx 4.17\mathrm{k\Omega }$

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(shù)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(jù)放大器 ±2.05V 輸出范圍的很大一部分。該電路還表現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)意外電壓降。因此，設計步驟 I 部分的 4 中提供的公式將無效，必須使用一個更完整的公式，該公式應考慮到與 R3 并聯(lián)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(chǎn)物。R3 上的這一偏置電流會導致輸入端出現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表 中所述，對于電壓檢測應用，引入與放大器反相端子串聯(lián)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(chǎn)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。
   $\mathrm{R}3=\frac{\mathrm{Gain}\times \mathrm{Rtop}}{1-\mathrm{Gain}-(\mathrm{Gain}\times {\displaystyle \frac{2\times \mathrm{Rtop}}{\mathrm{RInd}}})}$
   $\mathrm{R}3 = \frac{0.001042\times 4\mathrm{M\Omega }}{1-0.001042-\left(0.001042\times {\displaystyle \frac{8\mathrm{M\Omega }}{22.22\mathrm{k\Omega }}}\right)} = 6.67784 \mathrm{k\Omega }$
2. R3’ 的用途是抵消由流經(jīng) 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(lián)組合。使用以下公式來計算 R3’。
   $\mathrm{R}3\text{'}=\frac{\mathrm{Rtop}\times \mathrm{R}3}{\mathrm{Rtop}+\mathrm{R}3}$
   $\mathrm{R}3\text{'}=\frac{4\mathrm{M\Omega }\times 6.67784\mathrm{k\Omega }}{4\mathrm{M\Omega } + 6.67784\mathrm{k\Omega }} = 6.66671 \mathrm{k\Omega }$

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(yè)獲得，現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)表中 310kHz 典型帶寬規(guī)格所設定的期望值。

參考資料

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 高精度實驗室

設計精選隔離運算放大器

設計備用隔離運算放大器