Дифференциальный усилитель измеряет высокие напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2016

На Рисунке 1 показаны два способа измерения больших сигналов. В первом используется делитель из двух резисторов и выходной буфер, а во втором – ослабляющий инвертор и высокоомный входной резистор. Обоим подходам присущи ошибки нелинейности, поскольку мощность рассеивает только один резистор, что приводит к его саморазогреву и, как следствие, изменению сопротивления. Кроме того, усилитель и остальные резисторы в той или иной степени вносят вклад в ток и напряжение смещения, подавление пульсаций питания, ошибки усиления и температурный дрейф, которые могут существенно ухудшить общие характеристики системы.

а) б)
Рисунок 1.	Для измерения высоких напряжений вы можете, используя дискретные резисторы, собрать делитель и буфер (а) или ослабляющий инвертор (б), но характеристики схемы будут подвержены сильному влиянию температуры.

Основанная на выпускаемой Analog Devices микросхеме AD629 схема на Рисунке 2 может измерять входные напряжения, превосходящие 400 В пик-пик с ошибкой менее 5 ppm. Схема ослабляет входной сигнал в 20 раз и обеспечивает буферизацию выхода. Размещение усилителя и резисторов аттенюатора на общем кристалле гарантирует, что оба резистора в цепи аттенюатора будут работать при одинаковой температуре. Для минимизации токов смещения и связанных с ними ошибок во входном каскаде усилителя использованы супербета транзисторы. Благодаря стопроцентной обратной связи на низких частотах шумы не усиливаются, а напряжение смещения и его дрейф практически не увеличивают ошибку усиления.

Рисунок 2.	При интегральном решении внешние резисторы перемещаются в корпус микросхемы, что улучшает согласование их сопротивлений в диапазоне температур и повышает точность схемы.

Рисунок 3.	При входном напряжении 400 В пик-пик напряжение на выходе схемы на Рисунке 2 равно 20 В пик-пик.

При 100% обратной связи усилитель AD629 неустойчив, поэтому с помощью конденсатора 30 пФ в передаточную характеристику цепи обратной связи добавлены ноль и полюс, стабилизирующие схему и максимально расширяющие полосу пропускания. Частоту f_P полюса передаточной функции можно найти из выражения

Частоту f_Z нуля передаточной функции определяет выражение

Рисунок 3 иллюстрирует работу усилителя при входном сигнале 400 В пик-пик (красная кривая) и соответствующем выходном сигнале 20 В (синяя кривая). Сквозная характеристика на Рисунке 4 демонстрирует линейность схемы для выходного сигнала 5 В/дел при входном сигнале 50 В/дел. Ошибки нелинейности при входном сигнале 400 В пик-пик показаны на Рисунке 5.

Рисунок 4.	Зависимость выходного напряжения от напряжения на входе демонстрирует минимальное отклонение от идеальной прямой в диапазоне сигналов 400 В пик-пик.

Рисунок 5.	Диаграмма рассеяния показывает, что ошибки нелинейности при входном сигнале 400 В пик-пик во всем диапазоне остаются меньше 10 ppm.

Материалы по теме