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)換的輸入圍,但其實(shí)有時(shí)候不但輸入圍超出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(qǐng)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，其差模輸入圍一般是土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 的輸入圍，但是無論如何無法對(duì)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(duì)一個(gè)過零的正負(fù)信號(hào)進(jìn)

2、行AD 轉(zhuǎn)換就必須進(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(hào)源必須是低阻具有衡壓輸出特性的信號(hào)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

3、，如果并非二分壓那么R18KR19,由于消耗的功率不一樣導(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。利用運(yùn)放的高輸入阻抗減少對(duì)信號(hào)源對(duì)于第一個(gè)問題，可以在差分放大前加入一級(jí)電壓跟隨器作為緩沖,的影響，并且運(yùn)放的低輸由阻抗衡壓輸由的特性可以很好的滿足差分放大級(jí)的“特殊”要求。對(duì)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(duì)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(huì)使消耗功率增加，

4、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(duì)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。R8 10K 1%R9 10K 1%Wvvvv412V- 5T+5VINPUTU8 二、h 6+ 5,000D7REF412VINPU1OUTOUT

5、OPD7OP0745.OOO0VREF圖2但是圖2所示電路在處理一些幅度更大的信號(hào)會(huì)由現(xiàn)“瓶頸” 。一般運(yùn)放的擺幅在電源軌以應(yīng)留有2V的余量。以圖2為例，電平平移以后輸由 010V,對(duì)于圖2中±12V供電來說剛好可以滿足，但是如果輸入信號(hào)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，為了輸由不失真的信號(hào)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 再跟隨 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：R3 WK CL1 尤F?4 WK 0,1AAA-fV/V一2./INMSI1 1m&g

6、t;Bl 3lctl LN5 R75 o u po.八ADC_IPU142.5000VREF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(duì)信號(hào)源的影響， R1 R2 的值必須足夠大，但是對(duì)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)阻等于R1/R2的信號(hào)源，因此 U2的輸入阻抗必須足夠大。對(duì)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(jí)的選擇應(yīng)該綜合考慮信號(hào)源阻和電壓跟隨器的輸入阻

7、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 = V out ,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)反饋到反相端相減，因此儀表放大器的失調(diào)誤差為原來的 1/2 。對(duì)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

8、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(duì)信號(hào)源影響更??；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(hào)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,使輸由010V。但是同樣 ±12V供電的圖2確做不到。12V+ 12VV0U7-5V + 5V INPi.IT4 2.50QDUREFAD3221> ADC_INPU7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。如果輸入端是

9、77; 12V的信號(hào)，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(hào)平移到02.4V,也就符合02.5V的AD 輸入圍。首先 U4 的輸由 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=6.175KQ ,因止匕G=(49.4/6.175)+1 =9 ,所以Va =(9/10)* (Vin+)然后U5對(duì)Vin+與Va做減法，因此 U5輸由Vout = (1/10)*(Vin+),再經(jīng)過電平抬升成 02.4V輸