Дифференциальный усилитель измеряет высокие напряжения

На Рисунке 1 показаны два метода измерения больших сигналов. В первом используется делитель напряжения на двух резисторах и выходной буфер, а во втором – инвертирующий аттенюатор и высокоомный входной резистор. Оба эти подхода вносят погрешности в линейность измерений, поскольку только один резистор рассеивает мощность, что приводит к его саморазогреву и связанному с ним изменению сопротивления. Кроме того, усилитель и оставшиеся резисторы дополнительно увеличивают ток и напряжение смещения, ухудшают коэффициент подавления синфазного сигнала, создают ошибки усиления и дрейфа, которые могут значительно испортить общие характеристики системы.

Рисунок 1.	Для измерения высоких напряжений можно использовать делитель напряжения на двух дискретных резисторах и выходной буфер (а) или инвертирующий аттенюатор (б), но характеристики ухудшаются из-за несоответствия температур.

Схема на Рисунке 2, основанная на микросхеме AD629, позволяет измерять входные сигналы напряжением более 400 В пик-пик с ошибкой линейности менее 5 ppm. Схема ослабляет входной сигнал в 20 раз и выдает буферизованный выходной сигнал. Объединение усилителя и резисторов аттенюатора в общем корпусе гарантирует, что оба резистора в цепи аттенюатора будут работать при одинаковой температуре. Во входном каскаде усилителя используются супербета транзисторы для минимизации тока смещения и ошибок, возникающих из-за входных токов. 100-процентная обратная связь на низких частотах не приводит к увеличению шумов, а напряжение смещения и его дрейф практически не добавляют ошибок.

Рисунок 2.	Интегрированный подход перемещает внешние резисторы в корпус усилителя для улучшения согласования температур и повышения точности.

При 100-процентной обратной связи усилитель AD629 неустойчив, поэтому конденсатор 30 пФ добавляет полюс и ноль к передаточной характеристике цепи обратной связи, чтобы стабилизировать схему и максимально расширить полосу пропускания системы. Следующая формула описывает частоту полюса f_P:

А эта формула определяет частоту нуля f_Z:

Рисунок 3.	Входное напряжение 400 В пик-пик схема на Рисунке 2 преобразует в выходное напряжение 20 В пик-пик.

Рисунок 4.	График зависимости выходного сигнала от входного для входного напряжения 400 В пик-пик показывает минимальное отклонение передаточной характеристики от идеальной прямой линии.

Рисунок 3 позволяет оценить характеристики усилителя при входном напряжении 400 В пик-пик (верхняя кривая) и соответствующем выходном напряжении 20 В (нижняя кривая). График на Рисунке 4 в масштабе 50 В/дел для входного сигнала и 5 В/дел для выходного демонстрирует линейность передаточной характеристики. На Рисунке 5 показана ошибка нелинейности для входного напряжения 400 В пик-пик.

Рисунок 5.	Диаграмма рассеяния ошибки нелинейности для входного напряжения с размахом 400 В показывает, что погрешность сохраняется на уровне менее 10 ppm во всем диапазоне входных сигналов.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices AD629BR