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低压运算放大器通过自举以实现高压信号的应用

(文章滥觞:EEWORLD)

可用的亚皮安偏置电流运算放大年夜器并不多。可堪应用的器件经常被称为静电计级放大年夜器,偏置电流低至数十飞安。遗憾的是,这些静电计放大年夜器的低频电压噪声(0.1Hz到10Hz)为几微伏(峰峰值)。此外,其输入掉调电压和掉调温度系数一样平常也不相符要求。其共模抑制比(CMRR)和开环增益不敷好,难以支持1 ppm线性度。着末,没有一款静电计能够遭遇高电源电压。

LTC6240系列供给0.25 pA偏置电流(范例值)和0.55μV p-p低频噪声。这对付输入缓冲器来说已经足够好了,但该器件仅支持最高12 V的电源。我们将不得不在放大年夜器周围添加电路以使其适应更高的电压。

LTC6240由Vp(经由过程增益为+1的缓冲放大年夜器维持输出加5 V的值)和Vm(由另一个缓冲器驱动而维持输出减5 V的值)供电。因为电源老是跟随输入旌旗灯号(由LTC6240的输出缓冲),是以抱负环境下根本没有共模输入偏差。纵然是平庸的CMRR也经由过程自举提升至少30 dB。该30 dB值是由Vp和Vm缓冲器的有限增益精度导致的。

LTC6240的开环增益也获得类似的提升。当内部增益节点和电源轨之间存在晶体管输出阻抗时,放大年夜器电路会发生增益受限的环境。因为电源被自举到输出,以是很少有旌旗灯号电流流过上述阻抗,而且开环增益的增添量与CMRR的提升量相似。然则,输出负载仍可能会限定开环增益。

大概不那么显着,但电路整体压摆率也被自举前进。平日,它受限于LTC6240内部静态电流和以电源为基准的补偿电容。当电源追随输入和输出时,很少有动态电流流入这些电容,放大年夜器不会进入有限压摆率状态。缓冲放大年夜器终极会限定整体压摆率。高压电源Vhvp和Vhvm可能有滋扰,但缓冲器输出会在很大年夜程度上抑制滋扰,LTC6240的电源抑制比(PSRR)将大年夜大年夜增强。

请留意,1000 pF旁路电容必须与LTC6240电源引脚慎密连接。运算放大年夜器稀有十个内部晶体管,在该放大年夜器中,晶体管的Ft量级为GHz。它们经常以反馈要领彼此连接,除非安装了旁路电容,否则它们可能在高交流阻抗电源下发生振荡。1000 pF足以打消这些振荡。我们还盼望电源旁路电容弘远年夜于任何输出负载电容,由于在高频时,负载电容上的电压转换会导致电流流向电源轨,并可能调制电源电压,经由过程PSRR反馈引起振荡。是以,旁路电容会低落频率下的电源调制,相称于低落从输出到电源的反馈增益。

压摆这些旁路电容会必要很大年夜的电流,而且必须是双向的。Q5和Q6是射极跟随器,可以驱动旁路电容的压摆电流。Q3和Q4是偏置二极管,用于设置Q5和Q6静态电流。Q2为这些二极管和齐纳二极管D1(实际上是并联基准电压源IC)供给偏置电流,D1设置相对付输出的正电源电压。Q2的集电极是一个电流镜的输出,该电流镜由高压轨之间的R9偏置。假如电源电压不是恒定值,可以用两个电流源代替R9。

Q7至Q12形成与之前所述相称的Vm减电源驱动器。请留意齐纳电压的不匹配是故意为之的:Vp比输入/输出高5V,Vm比输入/输出低3 V。这种不匹配使输入电压的中点位于LTC6240的电源限定输入范围以内,从而优化压摆波形。

平日,LTC6240的电源电流会耗损Q5的发射极电流,并基础上关闭Q6,以是Vp缓冲器输出阻抗大年夜部分是R3。是以,电源反馈Vp路径的带宽约为1/ (2π × 100 Ω × 0.001 µF) = 1.6 MHz。这包管了在10 MHz及以上的频率(此时LTC6240的开环相位向振荡成长),Vp环路增益远小于1。100Ω电阻还让跟随器Q5不必直接驱动1000 pF电容。发射极跟随器会有输出电感,可能与容性负载发生谐振,引起振铃以致振荡。

设计自举在1.6 MHz以上的频率会掉败后,我们将看到整体电路的完美行径在频率越过大年夜约100 kHz时会降级。假如输出不能完全跟随输入,自举的好处将会打折扣。带Cin的Rin将带脱期制在100 kHz,这是ADC跟随缓冲器的系统抗混叠滤波器的一部分,它还会衰减无线电滋扰和不支持的压摆率。

该电路必须能够遭遇任何不受限定的压摆输入旌旗灯号或ESD,是以Rin也用于限定输入故障电流。电阻有四个串联段,以便分担输入过驱,暂时遭遇1 kV的电压。根据旌旗灯号源和预期过载,可以减小输入电阻。

LTC6240内部有保护二极管,可将输入过压电流向导至Vp或Vm。容许进入LTC6240输入的最大年夜故障电流为10 mA,但假如有周围电路可以快速堵截输入故障,则在短光阴内可以增添该电流。该电路的预期利用中存在SPDT继电器,当未通电时,其将缓冲器的输入连接到÷10收集。通电后,继电器直接连接输入。是以,当未通电时,缓冲器连接到弘远年夜于10 kΩ的源阻抗,故障电压和电流低落的幅度与10 mA继续额定值相称。利用的输入范围为±400 V,故障容差为±1000 V。这只有在有两个对照器的环境下才能安然地实现,对照器检测输入过压并快速开释继电器。

(责任编辑:fqj)

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