分壓電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

1、前些天有人問我如何實(shí)現(xiàn)精密的分壓,他認(rèn)為電阻分壓不夠精密.其實(shí)分壓的目的就是為了符合AD轉(zhuǎn)換的輸入范圍,但其實(shí)有時(shí)候不但輸入范圍超出AD量程,甚至?xí)且粋€(gè)負(fù)電壓,這個(gè)時(shí)候需要將電壓平移.反正今天雙休有空,我就說說自己的做法,疏漏之處敬請諒解現(xiàn)今大多數(shù)的AD芯片都采用單電源+5V、+3.3V甚至更低的+1.8V供電，其差模輸入范圍一般是±Vref(差分輸入)、0 +Vref,部分允許使用外部基準(zhǔn)的芯片允許0 VDD的輸入范圍，但是無論如何無法對一個(gè)負(fù)的輸入電壓進(jìn)行A to D的轉(zhuǎn)換(也許有一些雙電源的AD芯片可以，但我是個(gè)新手沒仔細(xì)研究過)。如果要對一個(gè)過零的正負(fù)信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換就必須

2、進(jìn)行電平的平移。理論上如圖1所示的差分放大器就可以完成電平平移的效果，差分放大器的增益等于1，因此Vout = Vin + 5.000。 Vin = -5 +5V,因此經(jīng)過平移后Vout = 0 10V，再經(jīng)過電阻R18、R19二分壓到符合AD系統(tǒng)輸入范圍的電壓。但是圖1所示的電路并不理想。第一，放大電路的輸入阻抗約等于R16 + R17 = 20K,低的輸入阻抗要求信號源必須是低內(nèi)阻具有衡壓輸出特性的信號源，否則將造成很大的誤差；第二，R8 R9 R16 R17的匹配程度將直接影響增益精度；第三，R18 R19的二分壓也將帶來2%的最大誤差，如果并非二分壓那么R18R19,由于消耗的功率不一

3、樣導(dǎo)致R18溫度與R19不相等，溫漂將使得分壓誤差加大；第四，任何接入的電路將等效成一個(gè)負(fù)載，即使AD系統(tǒng)只吸收很低的電流，等效阻抗很大，也將進(jìn)一步加大分壓的誤差。對于第一個(gè)問題，可以在差分放大前加入一級電壓跟隨器作為緩沖，利用運(yùn)放的高輸入阻抗減少對信號源的影響，并且運(yùn)放的低輸出阻抗衡壓輸出的特性可以很好的滿足差分放大級的“特殊”要求。對于第二和第三個(gè)問題，使用0.1%低溫漂的精密電阻器可以大為改善。對于第四個(gè)問題，再運(yùn)放負(fù)載能力允許的情況下使用阻值更小的電阻器可以將影響降低，但是應(yīng)當(dāng)注意的是-使用阻值更小的電阻器將會使消耗功率增加，而消耗功率的增加又使得溫度上升，溫漂問題加重。經(jīng)過改進(jìn)的電路

4、如圖2所示：當(dāng)然，你還可以使用單片集成差分放大器去替換后端的用精密運(yùn)放和精密電阻器構(gòu)建的差分放大電路，例如單位增益的AMP03。其高共模抑制比(CMRR)：100 dB(典型值) 、低非線性度：0.001%(最大值) 、低失真：0.001%(典型值) 、總增益誤差0.0080% 的性能是絕對優(yōu)勝于分立器件構(gòu)建的差分放大電路的。然而成本是否增加很多我就不知道了，我不是采購不知道價(jià)格，哈哈。 圖1 圖2但是圖2所示電路在處理一些幅度更大的信號會出現(xiàn)“瓶頸”。一般運(yùn)放的擺幅在電源軌以內(nèi)應(yīng)留有2V的余量。以圖2為例，電平平移以后輸出0 10V，對于圖2中 ±12V供電來說剛好可以滿足，但是如

5、果輸入信號幅度更大 ±7.5V呢？那么即使運(yùn)放工作在 ±15V的推薦最大工作電壓下也無法滿足，為了輸出不失真的信號運(yùn)放就只能工作在 ±18V的極限電源電壓下了。那如果先電阻分壓à再跟隨à再作電平平移呢？不就可以很好解決么？我們看看下面的圖三： 圖3圖3中電路只需改變R1 R2的比例就可以很容易使輸出符合AD系統(tǒng)的輸入范圍，并且由于先分壓再作電平平移，因此輸出的最大值就是AD系統(tǒng)允許的輸入最大值，上述圖2電路的“瓶頸”問題不再存在。為了盡量減少對信號源的影響，R1 R2的值必須足夠大，但是對于電壓跟隨器U2來說R1 R2的分壓網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻等

6、于R1/R2的信號源，因此U2的輸入阻抗必須足夠大。對于圖3，即使U2等效阻抗高達(dá)100M,也將帶來1%的誤差，因此R1 R2數(shù)量級的選擇應(yīng)該綜合考慮信號源內(nèi)阻和電壓跟隨器的輸入阻抗。如果要求更精密的的分壓和電平平移是否有更好的辦法呢？我們都知道一個(gè)高開環(huán)增益，低失調(diào)電壓的運(yùn)放只要將輸出完全反饋到反相端就可以構(gòu)成電壓跟隨器；那如果將輸出完全反饋到單位增益的儀表放大器反相輸入端呢？-那就是一個(gè)精密的二分壓電路!因?yàn)?Vin+) (Vin-)*G = Vout ，而此時(shí)Vin- = Vout 、G=1因此Vin+ = 2Vout,即Vout = 1/2(Vin+)。并且由于失調(diào)誤差也同時(shí)負(fù)反饋到反

7、相端相減，因此儀表放大器的失調(diào)誤差為原來的1/2。對于±5平移到010V并且需要分壓到05V的應(yīng)用，圖4的電路剛好能滿足。他在電平平移的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精密的二分壓。與圖2、圖3相比除了具有更高的精度之外，還具有更高的輸入阻抗因此對信號源影響更小；在輸出端無需經(jīng)過電阻分壓，因此沒有電阻器的溫漂影響精度的問題；在電平平移的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精密二分壓，因此在相同的電源電壓下允許2倍于圖2的信號輸入幅度。舉個(gè)例子，圖4允許 ±10V輸入二分壓并且平移+5.0000V,使輸出010V。但是同樣 ±12V供電的圖2確做不到。 圖4圖4所示電路缺點(diǎn)在于無法隨意比例的進(jìn)行分壓，而只能是二分壓

8、。如果輸入端是 ±12V的信號，而AD系統(tǒng)只能轉(zhuǎn)換02.5V的電壓，那么豈不是意味著要進(jìn)行4次二分壓!?那樣似乎太恐怖了一點(diǎn)，事實(shí)沒至于那么糟糕。圖5所示由兩個(gè)儀表放大器組成的電路就可以將 ±12V的信號平移到02.4V,也就符合02.5V的AD輸入范圍。首先U4的輸出Va = (Vin+) (Vin-)*G ，且Va = Vin- ，所以Va = (Vin+)*G/(1+G)由圖中可知，設(shè)置增益的電阻R7=6.175K,因此G=(49.4/6.175)+1 =9 ,所以Va =(9/10)* (Vin+)然后U5對Vin+與Va做減法，因此U5輸出Vout = (1/10)*(Vin+),再經(jīng)過電平抬升成02.4V輸出。但是應(yīng)該注意的是，當(dāng)