Расширение диапазона синфазных напряжений разностного усилителя до ±425 вольт

7 марта 2012 15

Представленная схема позволяет расширить диапазон синфазных напряжений разностного усилителя до нескольких сотен вольт.


Этот совет показывает один из способов расширения диапазона синфазных напряжений до ±425 вольт на примере разностного усилителя A1 (AD629). С резисторов R1 и R2 снимается входное синфазное напряжение. Полученное напряжение преобразуется (инвертируется) операционным усилителем A2 (AD8671) с коэффициентом G = –R3·(1/R1 + 1/R2). R1 и R2 должны быть достаточно большими для минимизации нагрузки на A2.

Сигнал с выхода A2 прикладывается к выводам опорного напряжения A1. Он инвертирован и, следовательно, действует в противовес входному синфазному напряжению, понижая напряжение в точках 1 и 2, тем самым расширяя синфазный диапазон системы.

Допустим что VCM = 425 В и G = –1/50, тогда VREF = –8,5 В

VNODE 1,2 = VIN+·(20K/400K) + (380K/400K)·VREF

VNODE 1,2 = 425·0,05 – 0,95·8,5 = 13,175 В. Полученное значение лежит внутри диапазона входных синфазных напряжений усилителя A1.

При синфазных напряжениях ±425 В на разностном усилителе будет рассеиваться около 1 Вт мощности, поэтому необходимо поддерживать температуру перехода ниже максимального уровня, заданного в спецификации.

Напряжение, приложенное к выводам опорного напряжения, присутствует на выходе разностного усилителя в виде синфазного напряжения. Для подавления синфазного напряжения выходы усилителей A1 и A2 подключаются к входам инструментального усилителя A3 (AD8221), который оставляет только разностный сигнал. При необходимости напряжение VDIFF может быть усилено и отфильтровано. Компоненты RFIL и CFIL задают необходимую полосу сигнала.

Необходимо учитывать насыщение усилителя A1, напряжение на выходе которого равно VDIFF + VREF. При одинаковой полярности VDIFF и VREF A1 может перейти в насыщение, наоборот, при их различной полярности A1 может выдержать большую разность сигнала на входе без насыщения. Изменение полярности VDIFF на противоположную VREF позволяет максимизировать диапазон разностных сигналов. Правильная полярность дифференциального выхода может быть восстановлена путем перестановки входов A3.


Схема расширения диапазона синфазного напряжения до 425 В

Комментарии

  • Артем:
    14 марта, 2012
    Сразу видно, что эта схема может работать только на столе :). В схеме объединены сигнальная и высоковольтная или силовая земля. А по этой земле могут гулять помехи десятки вольт. И операционник А2 очень быстро выйдет из строя. В параллель R1 и R2 надо обязательно поставить конденсаторы хотя бы несколько нан, а лучше и больше
    • Леонид Чанов:
      14 марта, 2012
      Артем, Вы во многом правы. Но, мне кажется, подобные схемы стоит воспринимать скорее как идею, нежели готовое решение, которое можно автоматически переносить в свой проект.
      Согласитесь, невозможно нарисовать схему, какая годилась бы на все случаи жизни.
      Касательно Вашей рекомендации по добавлению в схему конденсаторов.Это верная мысль, но их величину надо подбирать довольно тщательно. Проблема в том, что конденсаторы, обычно, имеют довольно большой разброс, следовательно, могут создать дополнительную погрешность за счет разного сдвига фаз в проводниках дифференциальной линии.
    • Леонид Чанов:
      07 марта, 2012
      Схема, и правда интересная. Но есть один нюанс, как мне кажется. Все это будет хорошо работать, если дифференциальный сигнал передается по витой паре, и дифференциальный сигнал невелик. Если же это условие нарушается, то по одному из проводов может пройти очень приличная импульсная наводка, а по другому ее не будет.
      В этом случае дифференциальное напряжение окажется значительным и останется уповать лишь на встроенную в А1 защиту, если таковая имеется.
      • Игорь:
        07 марта, 2012
        Это верное замечание. Поэтому всегда надо ставит как минимум кондер на выходе такой линии, а лучше ограничители перенапряжений, вроде трансилов
      • led:
        07 марта, 2012
        Интересная схема. Только непонятно зачем брать дифференциальный усилитель А1? Можно взять обычный ОУ и включить его по схеме дифференциального усилителя. Тогда все тепло будет выделяться га внешних резисторах.
        • Иван:
          06 апреля, 2012
          led, странный вопрос. Взять обычный ОУ конечно можно. Но! Тогда поплывут все характеристики. Следовательно придется использовать прецизионный (и дорогой) ОУ и резистивную сборку с согласованием сопротивлений более 0,01%, а у A1 используется лазерная подгонка резисторов в процессе производства, тем самым достигается высокий уровень подавления синфазной составляющей (что и требуется в этом применении). А также используя AD629 удастся хоть немного, но сэкономить драгоценное место на печатной плате.
          • Игорь:
            20 апреля, 2012
            Добавлю свои 5 копеек )). Высокое КОСС достигается не только за счет лазерной подгонки резисторов, но и за счет подачи синфазного напряжения через А 2 на референс А1. И я не очень уверен в необходимости А3. Зачем на нем вычитать из полученного на А2 сигнала вычитать синфазный сигнал? Кто может сказать?
            • DGK:
              23 апреля, 2012
              Вообще-то за счет подачи уменьшенного синфазного напряжения на референс и входного делителя удается "впихнуть" исходное синфазное напряжение (425 В) в допустимый диапазон для этого усилителя, не увеличить КОСС)). Но роль А2 тоже не понимаю до конца))
              • Иван:
                23 апреля, 2012
                Да, Вы правы, что за счет подачи уменьшенного синфазного напряжения на опорный вход A1 удается "впихнуть" исходное синфазное напряжение (425 В) в допустимый диапазон для A1, не увеличить КОСС. А как Вы понимаете роль A2? Он же используется просто в качестве буфера и делителя напряжения на 100.
              • Антонов:
                22 апреля, 2012
                Тоже не понял, почему вычитается полный сигнал VREF = –8,5 В? По приведенному расчету получается VNODE 1,2 = 425·0,05 – 0,95·8,5 = 13,175 В, т.е синфазный сигнал на входе 13,75 В. КОСС где-то 80 дБ, т..е 10 000. Зачем тогда вычитать весь сигнал?
                • Иван:
                  23 апреля, 2012
                  Если грамотно посчитать (расчет приводить не буду, но он у меня есть) напряжение на выходе A1, то Vout = Vdiff + Vref + ΔV, где ΔV - ошибка номиналов резисторов внутри A1. Следовательно, сигнал Vref должен быть вычтен из Vout для получения чистого Vdiff.
                  А Vnode - это просто напряжение на входе самого усилителя, только и всего. Важно, только следить, чтобы Vnode действительно не выходило за диапазон линейности усилителя ±13,5 В, чтобы не нахватать дополнительных ошибок.
                  • Леонид Чанов:
                    23 апреля, 2012
                    Мне, кажется, некоторая путаница происходит из-за нестандартного использования входа Reference. Часто он используется для смещения уровня при однополярном питании и это не вызывает вопросов. В данной схеме уровни смещать не нужно. По крайне мере, авторы не пишут об этом. Поэтому, если вы измеряете выход относительно уровня Reference, то вычитать это сигнал на А3 не нужно. Если же вы хотите измерять сигнал относительно земли, то следует вычесть его величину из выходного сигнала А1. Что и делается на усилители А3.
                    Другими словами, Reference в этой схем используется как бы временно, чтобы "впихнуть" "впихнуть" исходное синфазное напряжение (425 В) в допустимый диапазон для A1. А потом этот сигнал вычитается и на выходе А3 мы видим усиленный дифференциальный сигнал без "подставки" напряжения Reference
                    • Иван:
                      26 апреля, 2012
                      Да. Совершенно верно.
              • led:
                19 апреля, 2012
                Иван, за все надо платить.:( Стоимость возрастет, зато не будет проблемы с охлаждением. Авторы пишут, что на усилители может выделяться до 1 Вт. Куда это тепло отводить? Да, еще надо постоянно следить за температурой усилителя. А как следить? Ставить датчик температуры? Это тоже деньги, да, и место на плате датчик займет.
                И, что делать, если температура превысит допустимую? Отключать усилитель? А это еще ключи дополнительные. Конечно, в каждом конкретном случае надо думать. Здесь уже правильно писали, что это лишь идея, и в голом виде ее в схему не вставишь :)
                • Иван:
                  23 апреля, 2012
                  led, Вы совершенно правы. Здесь приведена только идея. Ее не надо воспринимать как догму. В конечном счете лишь разработчик знает поставленную перед ним задачу и реализует ее оптимальным для себя способом.

            Оставить комментарий