有沒有一種簡單的辦法來創(chuàng)建適合傳感器偏置應(yīng)用的高壓電源？
[導(dǎo)讀]當(dāng)然，只需使用集成精密反饋電阻的IC。
提供高精度輸出的可調(diào)高壓電源很難構(gòu)建。時(shí)間、溫度和生產(chǎn)過程中的差異等帶來的漂移通常都會(huì)導(dǎo)致誤差。傳統(tǒng)上用于反饋的阻性網(wǎng)絡(luò)是常見誤差源。本文提出一種利用集成電路(IC)反饋路徑的新穎設(shè)計(jì)。此電路用于傳感器偏置應(yīng)用，與利用電阻網(wǎng)絡(luò)提供反饋的設(shè)計(jì)相比，精度更高，漂移更低，更加靈活，甚至還能節(jié)約成本。
圖1.高壓可調(diào)偏置電路的傳統(tǒng)方法
在某些情況下，這些電路工作得非常好。當(dāng)需要更高的精度或更一致的長期性能時(shí)，利用IC實(shí)現(xiàn)反饋是有益的。
IC反饋實(shí)現(xiàn)
圖2所示電路的配置考慮了以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：
控制電壓輸入范圍為0 V至5 V。22倍電路增益提供從~0V (0 V×22)到110 V (5 V×22)的輸出偏置電壓。為了產(chǎn)生控制電壓，選擇 AD5683R。AD5683R是一款內(nèi)置2 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源的16位nanoDAC®。選擇5 V輸出范圍，使電路能以~1.68 mV步進(jìn)提供從~0 V到110 V的偏置電壓。
積分器選擇 LTC6090 。LTC6090是一款高壓運(yùn)算放大器，能夠提供軌到軌輸出和皮安級輸入偏置電流。低輸入偏置電流對于實(shí)現(xiàn)所需的高精度至關(guān)重要。此外，LTC6090提供的開環(huán)增益典型值大于140 dB，因此有限環(huán)路增益導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差大大減小。
LTC6090將反饋電壓與控制電壓進(jìn)行比較，并將差值（即誤差）積分，從而將輸出(VBIAS)調(diào)整到所需的設(shè)定值。由R1和C1形成的時(shí)間常數(shù)設(shè)定積分時(shí)間，這不會(huì)影響放大器精度，因此不需要精密元件。為進(jìn)行測試，負(fù)載建模為11 kΩ電阻與2.2μF電容并聯(lián)。
圖2.~0 V至110 V偏置的LTspice®原理圖
圖3.LT1997-2設(shè)計(jì)工具的屏幕截圖，衰減 = 22
LT1997-2 差動(dòng)放大器為反饋環(huán)路提供22倍（增益 = 0.4545...）的衰減。實(shí)現(xiàn)22倍衰減所需的連接可以通過 LTC1997-2在線計(jì)算器輕松確定。該工具的屏幕截圖如圖3所示。
LT1997-2非常靈活，支持廣泛的增益/衰減組合。數(shù)據(jù)手冊中提供了示例，評估板 通過跳線可選設(shè)置支持許多增益組合。
圖4.LT1997-2評估板（增益通過跳線和附加導(dǎo)線設(shè)置）
測試設(shè)置
電路在LTspice中建模并符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。使用以下評估板來幫助進(jìn)行硬件測試：
圖6.AD5683R評估板的ACE界面截圖
表1.實(shí)測輸出電壓與預(yù)期輸出電壓
圖7.輸出電壓誤差與偏置電壓的關(guān)系
請注意，在~40 V輸出以下，誤差由電路內(nèi)的放大器失調(diào)主導(dǎo)。在低偏置電壓下，失調(diào)的幅度比增益誤差更大。在較高偏置電壓下，失調(diào)貢獻(xiàn)的誤差百分比較小，增益誤差占主導(dǎo)地位。本文后面會(huì)提供誤差分析和更詳細(xì)信息。
圖8.階躍響應(yīng)（0 V至1 V控制輸入）
圖9.階躍響應(yīng)（0 V至2.5 V控制輸入）
圖10.階躍響應(yīng)（0 V至5 V控制輸入）
啟動(dòng)波形
觀察電源和信號的啟動(dòng)波形。這是為了確保不會(huì)將高電壓意外應(yīng)用于偏置輸出。AD5683R提供從0 V開始的控制電壓。隨著電源電壓升高，在偏置輸出端觀察到~3V的小毛刺。鑒于偏置輸出的高壓性質(zhì)，這對測試目的而言是可以接受的。
如果要在生產(chǎn)系統(tǒng)中使用該電路，建議控制電源時(shí)序，使得控制電壓首先應(yīng)用，然后高壓電源啟動(dòng)。該上電順序?qū)⒛鼙苊鈫?dòng)過程中偏置電壓輸出端出現(xiàn)高壓尖峰對的可能性。一款簡單的時(shí)序控制器（如 ADM1186 ）便足以實(shí)現(xiàn)該功能。
圖11.啟動(dòng)波形—電源
圖12.啟動(dòng)波形—信號
表2.輸出電壓誤差分析
* 包括器件變化和全溫度范圍
** 25°C時(shí)
IC反饋與傳統(tǒng)電阻網(wǎng)絡(luò)反饋的比較
我們來比較圖1所示傳統(tǒng)方法與圖2所示IC反饋方法的幾個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)。對于此比較，選擇LT1997-2（參見圖14）作為反饋網(wǎng)絡(luò)的IC。請注意，LT1997-2中嵌入了高度匹配的精密電阻。
表3.LT1997-2與兩個(gè)1206分立精密電阻的比較（注意：選擇1206是因?yàn)槠涔ぷ麟妷簽?00 V）
*RT1206BRD07150KL，千片價(jià)格來自Digi-Key 2020年12月的數(shù)據(jù)
LT1997-2IDF#PBF，千片價(jià)格來自ADI網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
表4.LT1997-2與金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)比較
Y0114V0525BV0L，500片價(jià)格來自Digi-Key 2020年12月的數(shù)據(jù)
LT1997-2IDF#PBF，500片價(jià)格來自ADI網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
表5.LT1997-2與硅基精密電阻比較
*MAX5490VA10000 ，千片價(jià)格來自Maxim網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
LT1997-2IDF#PBF，千片價(jià)格來自ADI網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
雖然LT1997-2比兩個(gè)芯片電阻貴得多，但其性能要好得多。與金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)相比，LT1997-2在尺寸和成本方面均有優(yōu)勢。與硅基電阻網(wǎng)絡(luò)相比，LT1997-2在精度和工作電壓方面有優(yōu)勢。此外，相比于所有競爭解決方案，LT1997-2內(nèi)集成不同電阻值是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在需要的時(shí)候能夠通過外部跳線提供增益靈活性。
使用集成精密電阻的IC還有一個(gè)可能不是很明顯的優(yōu)點(diǎn)。放大器的求和結(jié)埋在器件內(nèi)，未暴露給PCB。因此，這些敏感節(jié)點(diǎn)得以免受干擾輸入的影響。另外，在許多增益配置中，內(nèi)部電阻外接到地或輸出，避免了可能影響電路精度的泄漏路徑。泄漏路徑是較高電壓電路中的常見誤差源。
結(jié)論
可調(diào)高壓偏置電路傳統(tǒng)上采用運(yùn)算放大器，通過電阻反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生精密輸出。雖然這種方法很容易理解，但實(shí)現(xiàn)精密、可重復(fù)的性能很困難。利用IC而不是電阻網(wǎng)絡(luò)來提供反饋，可以提供更準(zhǔn)確、更一致的結(jié)果。
圖1顯示了構(gòu)建可調(diào)高壓偏置電路的傳統(tǒng)方法。DAC用于產(chǎn)生控制電壓，運(yùn)算放大器用于提供增益。圖1中的電路提供~0 V至110 V的輸出，控制電壓范圍為0 V至5 V。
由于高壓傳感器常常具有相當(dāng)高的容性，因此一般使用電阻(R2)來將運(yùn)算放大器輸出與負(fù)載隔離，避免潛在的穩(wěn)定性問題。
圖1.高壓可調(diào)偏置電路的傳統(tǒng)方法
在某些情況下，這些電路工作得非常好。當(dāng)需要更高的精度或更一致的長期性能時(shí)，利用IC實(shí)現(xiàn)反饋是有益的。
IC反饋實(shí)現(xiàn)
圖2所示電路的配置考慮了以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：
-
控制電壓：0 V至5 V
-
輸出電壓可調(diào)范圍：~0 V至110 V
-
輸出電流 > 10 mA
-
初始精度：±0.1%（典型值）
-
無需外部精密電阻
控制電壓輸入范圍為0 V至5 V。22倍電路增益提供從~0V (0 V×22)到110 V (5 V×22)的輸出偏置電壓。為了產(chǎn)生控制電壓，選擇 AD5683R。AD5683R是一款內(nèi)置2 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源的16位nanoDAC®。選擇5 V輸出范圍，使電路能以~1.68 mV步進(jìn)提供從~0 V到110 V的偏置電壓。
積分器選擇 LTC6090 。LTC6090是一款高壓運(yùn)算放大器，能夠提供軌到軌輸出和皮安級輸入偏置電流。低輸入偏置電流對于實(shí)現(xiàn)所需的高精度至關(guān)重要。此外，LTC6090提供的開環(huán)增益典型值大于140 dB，因此有限環(huán)路增益導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差大大減小。
LTC6090將反饋電壓與控制電壓進(jìn)行比較，并將差值（即誤差）積分，從而將輸出(VBIAS)調(diào)整到所需的設(shè)定值。由R1和C1形成的時(shí)間常數(shù)設(shè)定積分時(shí)間，這不會(huì)影響放大器精度，因此不需要精密元件。為進(jìn)行測試，負(fù)載建模為11 kΩ電阻與2.2μF電容并聯(lián)。
圖2.~0 V至110 V偏置的LTspice®原理圖
圖3.LT1997-2設(shè)計(jì)工具的屏幕截圖，衰減 = 22
LT1997-2 差動(dòng)放大器為反饋環(huán)路提供22倍（增益 = 0.4545...）的衰減。實(shí)現(xiàn)22倍衰減所需的連接可以通過 LTC1997-2在線計(jì)算器輕松確定。該工具的屏幕截圖如圖3所示。
LT1997-2非常靈活，支持廣泛的增益/衰減組合。數(shù)據(jù)手冊中提供了示例，評估板 通過跳線可選設(shè)置支持許多增益組合。
圖4.LT1997-2評估板（增益通過跳線和附加導(dǎo)線設(shè)置）
測試設(shè)置
電路在LTspice中建模并符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。使用以下評估板來幫助進(jìn)行硬件測試：
-
EVAL-AD5683R：AD5683R DAC評估板
-
DC1979A：LTC6090 140 V軌到軌輸出運(yùn)算放大器評估板（經(jīng)修改以用于測試）
-
DC2551A-B：LT1997可配置精密放大器演示板（經(jīng)修改以用于測試）
-
DC2275A：LT8331升壓器演示板，10 V ≤ VIN ≤ 48 V，120 VOUT，電流最高80 mA
-
DC2354A：LTC7149降壓器演示板，配置為負(fù)VOUT；
3.5 V ≤ VIN ≤ 55 V；VOUT = –3.3 V/–5 V/可調(diào)至-56 V，最高4 A
產(chǎn)生控制電壓
利用AD5683R評估板設(shè)置電路的控制電壓。該板通過USB端口連接到運(yùn)行 ADI公司ACE（分析、控制、評估）軟件的筆記本電腦。ACE提供了一個(gè)簡單的GUI來配置AD5683R并設(shè)置DAC輸出電壓。輸出電壓提供高壓偏置輸出的設(shè)定值。
圖6.AD5683R評估板的ACE界面截圖
直流精度
表1.實(shí)測輸出電壓與預(yù)期輸出電壓
圖7.輸出電壓誤差與偏置電壓的關(guān)系
請注意，在~40 V輸出以下，誤差由電路內(nèi)的放大器失調(diào)主導(dǎo)。在低偏置電壓下，失調(diào)的幅度比增益誤差更大。在較高偏置電壓下，失調(diào)貢獻(xiàn)的誤差百分比較小，增益誤差占主導(dǎo)地位。本文后面會(huì)提供誤差分析和更詳細(xì)信息。
交流響應(yīng)
圖8.階躍響應(yīng)（0 V至1 V控制輸入）
圖9.階躍響應(yīng)（0 V至2.5 V控制輸入）
圖10.階躍響應(yīng)（0 V至5 V控制輸入）
啟動(dòng)波形
觀察電源和信號的啟動(dòng)波形。這是為了確保不會(huì)將高電壓意外應(yīng)用于偏置輸出。AD5683R提供從0 V開始的控制電壓。隨著電源電壓升高，在偏置輸出端觀察到~3V的小毛刺。鑒于偏置輸出的高壓性質(zhì)，這對測試目的而言是可以接受的。
如果要在生產(chǎn)系統(tǒng)中使用該電路，建議控制電源時(shí)序，使得控制電壓首先應(yīng)用，然后高壓電源啟動(dòng)。該上電順序?qū)⒛鼙苊鈫?dòng)過程中偏置電壓輸出端出現(xiàn)高壓尖峰對的可能性。一款簡單的時(shí)序控制器（如 ADM1186 ）便足以實(shí)現(xiàn)該功能。
圖11.啟動(dòng)波形—電源
圖12.啟動(dòng)波形—信號
測試設(shè)置照片
LTC6090評估板安裝在LT1997-2評估板的底部。測試設(shè)置只需要修改這些評估板。DAC和電源評估板以庫存配置使用，為簡單起見不予以顯示。
圖13.LT1997-2評估板和安裝在底部的LTC6090評估板
誤差分析
我們執(zhí)行了誤差分析。電路中的主要誤差源及其典型值和最大值如表2所示。
經(jīng)計(jì)算，110 V偏置輸出時(shí)的最大誤差為0.0382%或42 mV，其中包括器件變化和全溫度范圍（-40°C至 125°C）內(nèi)的變化所產(chǎn)生的全部誤差。經(jīng)計(jì)算，110 V偏置輸出時(shí)的典型誤差為0.00839%，這與實(shí)測結(jié)果（0.008%或9 mV）相吻合。
關(guān)于電源的說明
測試期間使用的硬件由±5 V、24 V和120 V電源供電。以下是關(guān)于如何選擇這些電源軌的一些附加說明：
-
AD5683R DAC需要5 V電源。
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為了實(shí)現(xiàn)DAC的5 V輸出，電源電壓可能必須略高于5 V。即使小負(fù)載也可能限制最大輸出值。有關(guān)其他信息，請參閱 AD5683R數(shù)據(jù)手冊 第15頁上的圖38。
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-5 V是為了讓LTC6090和LT1997-2能在接近0V的控制電壓輸入下工作。
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LTC7149評估板能夠提供最高4 A輸出。
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電路在-5 V時(shí)需要的電流小于25 mA，簡單的電荷泵逆變器就足夠了。作為例子，可以考慮ADP5600。
- LTC6090的輸入共模范圍以比V-高 3 V為限。
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為方便起見，使用LTC7149演示板來產(chǎn)生-5 V軌。
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120 V用于LTC6090的V 。
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雖然LTC6090提供軌到軌輸出，但在重負(fù)載下，V 需要額外的裕量。
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24 V用作LT1997-2的正電源。
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選擇該電壓是為了避免Over-The-Top®操作。LT1997-2的某些特性在Over-The-Top區(qū)域中會(huì)劣化。有關(guān)其他信息，請參閱 LT1997-2數(shù)據(jù)手冊 的第14頁。
表2.輸出電壓誤差分析
* 包括器件變化和全溫度范圍
** 25°C時(shí)
IC反饋與傳統(tǒng)電阻網(wǎng)絡(luò)反饋的比較
我們來比較圖1所示傳統(tǒng)方法與圖2所示IC反饋方法的幾個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)。對于此比較，選擇LT1997-2（參見圖14）作為反饋網(wǎng)絡(luò)的IC。請注意，LT1997-2中嵌入了高度匹配的精密電阻。
表3.LT1997-2與兩個(gè)1206分立精密電阻的比較（注意：選擇1206是因?yàn)槠涔ぷ麟妷簽?00 V）
*RT1206BRD07150KL，千片價(jià)格來自Digi-Key 2020年12月的數(shù)據(jù)
LT1997-2IDF#PBF，千片價(jià)格來自ADI網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
表4.LT1997-2與金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)比較
Y0114V0525BV0L，500片價(jià)格來自Digi-Key 2020年12月的數(shù)據(jù)
LT1997-2IDF#PBF，500片價(jià)格來自ADI網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
表5.LT1997-2與硅基精密電阻比較
*MAX5490VA10000 ，千片價(jià)格來自Maxim網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
LT1997-2IDF#PBF，千片價(jià)格來自ADI網(wǎng)站2020年12月的數(shù)據(jù)
雖然LT1997-2比兩個(gè)芯片電阻貴得多，但其性能要好得多。與金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)相比，LT1997-2在尺寸和成本方面均有優(yōu)勢。與硅基電阻網(wǎng)絡(luò)相比，LT1997-2在精度和工作電壓方面有優(yōu)勢。此外，相比于所有競爭解決方案，LT1997-2內(nèi)集成不同電阻值是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在需要的時(shí)候能夠通過外部跳線提供增益靈活性。
使用集成精密電阻的IC還有一個(gè)可能不是很明顯的優(yōu)點(diǎn)。放大器的求和結(jié)埋在器件內(nèi)，未暴露給PCB。因此，這些敏感節(jié)點(diǎn)得以免受干擾輸入的影響。另外，在許多增益配置中，內(nèi)部電阻外接到地或輸出，避免了可能影響電路精度的泄漏路徑。泄漏路徑是較高電壓電路中的常見誤差源。
結(jié)論
可調(diào)高壓偏置電路傳統(tǒng)上采用運(yùn)算放大器，通過電阻反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生精密輸出。雖然這種方法很容易理解，但實(shí)現(xiàn)精密、可重復(fù)的性能很困難。利用IC而不是電阻網(wǎng)絡(luò)來提供反饋，可以提供更準(zhǔn)確、更一致的結(jié)果。
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