非常見問題第190期：可調(diào)高壓電源兼具精度和可重復(fù)性，適合傳感器偏置應(yīng)用
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問題：
有沒有一種簡(jiǎn)單的辦法來創(chuàng)建適合傳感器偏置應(yīng)用的高壓電源？
答案：
當(dāng)然，只需使用集成精密反饋電阻的IC。
簡(jiǎn)介
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(zhǎng)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
圖2中的電路主要由三部分組成：控制電壓、積分器和反饋路徑。如上文所述，反饋由集成電路而非電阻網(wǎng)絡(luò)提供。
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(jí)輸入偏置電流。低輸入偏置電流對(duì)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(cè)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(cè)中提供了示例，評(píng)估板通過跳線可選設(shè)置支持許多增益組合。
圖4 LT1997-2評(píng)估板（增益通過跳線和附加導(dǎo)線設(shè)置）
測(cè)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(píng)估板來幫助進(jìn)行硬件測(cè)試：
■ EVAL-AD5683R：AD5683R DAC評(píng)估板
■ DC1979A：LTC6090 140 V軌到軌輸出運(yùn)算放大器評(píng)估板（經(jīng)修改以用于測(cè)試）
■ DC2551A-B：LT1997可配置精密放大器演示板（經(jīng)修改以用于測(cè)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(píng)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(píng)估）軟件的筆記本電腦。ACE提供了一個(gè)簡(jiǎn)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5 測(cè)試配置框圖
圖6 AD5683R評(píng)估板的ACE界面截圖
直流精度
表1和圖7中的測(cè)量在24°C環(huán)境溫度下使用Keysight 34460A DMM進(jìn)行的。AD5683R評(píng)估板的輸出校準(zhǔn)到四個(gè)小數(shù)位，并通過ADI公司的ACE軟件進(jìn)行控制。這些結(jié)果來自一組電路板，不代表最小/最大規(guī)格。
表1 實(shí)測(cè)輸出電壓與預(yù)期輸出電壓
控制電壓 (V) | 期望偏置電壓 (V) | 實(shí)測(cè)偏置電壓 (V) | 誤差 (%) |
0.0000 | 0 | 0.0121 | — |
0.5000 | 11 | 11.004 | 0.036% |
1.0000 | 22 | 22.005 | 0.023% |
1.5000 | 33 | 33.005 | 0.015% |
2.0000 | 44 | 44.005 | 0.011% |
2.5000 | 55 | 55.007 | 0.013% |
3.0000 | 66 | 66.007 | 0.011% |
3.5000 | 77 | 77.008 | 0.010% |
4.0000 | 88 | 88.008 | 0.009% |
4.5000 | 99 | 99.010 | 0.010% |
5.0000 | 110 | 110.009 | 0.008% |
圖7 輸出電壓誤差與偏置電壓的關(guān)系
請(qǐng)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)
將一個(gè)階躍函數(shù)應(yīng)用于不同電壓的控制輸入。測(cè)量輸出和反饋電壓（參見圖8至圖10）。請(qǐng)注意，偏置電壓以斜坡形式平滑地變至所需的值。
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(hào)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(duì)測(cè)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(duì)的可能性。一款簡(jiǎn)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(hào)
測(cè)試設(shè)置照片
LTC6090評(píng)估板安裝在LT1997-2評(píng)估板的底部。測(cè)試設(shè)置只需要修改這些評(píng)估板。DAC和電源評(píng)估板以庫(kù)存配置使用，為簡(jiǎn)單起見不予以顯示。
圖13 LT1997-2評(píng)估板和安裝在底部的LTC6090評(píng)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(cè)結(jié)果（0.008%或9 mV）相吻合。
關(guān)于電源的說明
測(cè)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。
※ 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(qǐng)參閱AD5683R數(shù)據(jù)手冊(cè)第15頁上的圖38。
■ -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。
※ LTC6090的輸入共模范圍以比V-高 3 V為限。
※ 為方便起見，使用LTC7149演示板來產(chǎn)生-5 V軌。
※ LTC7149評(píng)估板能夠提供最高4 A輸出。
※ 電路在-5 V時(shí)需要的電流小于25 mA，簡(jiǎn)單的電荷泵逆變器就足夠了。作為例子，可以考慮ADP5600。
■ 120 V用于LTC6090的V+。
※ 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。
■ 24 V用作LT1997-2的正電源。
※ 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(qǐng)參閱LT1997-2數(shù)據(jù)手冊(cè)的第14頁。
表2 輸出電壓誤差分析
數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大誤差* | ||||||||
誤差 (%) | 誤差 (μV) | 誤差 (nA) | 反饋節(jié)點(diǎn)誤差(μV) | 偏置節(jié)點(diǎn)誤差(mV) | 控制電壓 = 1 V時(shí)的誤差；輸出 = 22 V (%) | 控制電壓 = 5 V時(shí)的誤差；輸出 = 110 V (%) | ||
LT1997-2增益 | 0.008 | 0.0080 | 0.0080 | |||||
LT1997-2電壓失調(diào) | 200 | 282 | 6.204 | 0.0282 | 0.0056 | |||
LT1997 IB失調(diào) | 10 | 227 | 4.994 | 0.0227 | 0.0045 | |||
LTC6090失調(diào) | 1000 | 1000 | 22 | 0.1000 | 0.0200 | |||
總誤差(%)： | 0.1589 | 0.0382 | ||||||
數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型誤差** | ||||||||
誤差 (%) | 誤差 (μV) | 誤差 (nA) | 反饋節(jié)點(diǎn) 誤差(μV) | 偏置節(jié)點(diǎn)誤差(mV) | 控制電壓 = 1 V時(shí)的誤差；輸出 = 22 V (%) | 控制電壓 = 5 V時(shí)的誤差；輸出 = 110 V (%) | ||
LT1997-2增益 | 0.001 | 0.00100 | 0.00100 | |||||
LT1997-2電壓失調(diào) | 20 | 28.2 | 0.6204 | 0.00282 | 0.00056 | |||
LT1997 IB失調(diào) | 0.5 | 11.35 | 0.2497 | 0.00114 | 0.00023 | |||
LTC6090失調(diào) | 330 | 330 | 7.26 | 0.03300 | 0.00660 | |||
總誤差(%)： | 0.03796 | 0.00839 | ||||||
* 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(duì)于此比較，選擇LT1997-2（參見圖14）作為反饋網(wǎng)絡(luò)的IC。請(qǐng)注意，LT1997-2中嵌入了高度匹配的精密電阻。
圖14 LT1997-2功能框圖
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）
分立電阻 | LT1997-2 | 備注* | |
尺寸 | 2× (3.1 mm × 1.6 mm) vs. (4 mm × 4 mm) | ||
成本 | 2 × ($0.11) vs. $3.39 （~千片價(jià)格） | ||
電阻精度 | 0.1% vs. 0.008% | ||
溫度漂移 | 25 ppm/°C vs. 1 ppm/°C | ||
最大傳感器電壓 | 200 V與270 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
金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò) | LT1997-2 | 備注* | |
尺寸 | (8.9 mm × 3.5 mm × 10.5 mm) vs. (4 mm × 4 mm × 0.75 mm) 電阻為通孔式，10.5 mm高 | ||
成本 | $22.33 vs. $3.76 （~500片價(jià)格） | ||
電阻精度 | 旗鼓相當(dāng) | 旗鼓相當(dāng) | 0.005% vs. 0.008% |
溫度漂移 | 旗鼓相當(dāng) | 旗鼓相當(dāng) | 1.5 ppm/°C vs. 1 ppm/°C |
最大傳感器電壓 | 350 V與270 V |
*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
硅基電阻網(wǎng)絡(luò) | LT1997-2 | 備注* | |
尺寸 | (3.04 mm × 2.64 mm) vs. (4 mm × 4 mm) | ||
成本 | $1.90 vs. $3.39（~千片價(jià)格） | ||
電阻精度 | 0.035% vs. 0.008% | ||
溫度漂移 | 旗鼓相當(dāng) | 旗鼓相當(dāng) | 1 ppm/°C vs. 1 ppm/°C |
最大傳感器電壓 | 80 與270 V |
*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(shì)。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(shì)。此外，相比于所有競(jìng)爭(zhēng)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。有關(guān)此話題的更多信息，請(qǐng)參閱LTC6090數(shù)據(jù)手冊(cè)的第14頁。
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。
作者簡(jiǎn)介
Lionel Wallace于2009年加入ADI公司。在ADI公司任職期間，他擔(dān)任過多個(gè)工程和銷售職務(wù)。Lionel目前在阿拉巴馬州工作，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Lionel擁有奧本大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校電氣工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：lionel.wallace@analog.com。
Jason Fischer是ADI公司協(xié)助美洲東部銷售團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)支持多種產(chǎn)品，重點(diǎn)是工業(yè)、電信、醫(yī)療和軍事應(yīng)用的開關(guān)模式電源的原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。他以前的工作經(jīng)驗(yàn)包括生產(chǎn)管理、電路設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)和RF監(jiān)管測(cè)試。Jason于2014年獲得賓夕法尼亞州布魯斯堡大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：jason.fischer@analog.com。
Ben Douts是ADI公司在南卡羅來納州的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他從事過多方面工作，包括測(cè)試工程和集成電路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注精密模擬電路和電源管理。Ben于1998年獲得麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：benjamin.douts@analog.com。
評(píng)論