過採樣插值DAC

作者:ADI應用工程師 Walt Kester


許多應用需要在高共模電壓存在的情況下進行差分測量,而有些測量電壓在幾百伏特以上。在這些電壓下進行精準測量不但很難,而且成本高昂。但是, AD8479 能夠輕鬆做到這一點。如AD8479產品手冊所述,電阻網路在提供單位差分增益的同時,將非常大的共模電壓衰減了60倍。然而,許多應用可從漏斗放大器中受益,因為這種放大器能夠在承受高電壓同時,透過將訊號衰減到可用的電壓閾值範圍內來測量非常高的訊號。透過利用AD8479中的精密電阻,內建衰減係數來實現這種測量。

由於AD8479將訊號衰減了60倍,為實現單位差分增益,裝置內部的其他運算放大器就必須將該差分訊號再放大60倍。該增益透過連接到負基準電壓(Ref–)接腳的電阻和連接到輸出的電阻的比率實現。由於此處的目標只是實現衰減,因此可透過將輸出訊號回饋給Ref–接腳來旁路該增益。在此配置中,不再獲得單位增益,而是實現精密漏斗放大器。由於AD8479採用固定增益配置,放大器可適當進行補償,因此單位增益可能不穩定。為保持穩定性,此處的一個設計要求是確保在放大器的增益滾降之前,放大器處於初始預期增益中。AD8479產品手冊將典型頻寬列為310 kHz,因此負基準電壓回饋應在此頻率之前滾降。透過利用低通濾波器連接AD8479輸出,並緩衝濾波器的輸出(在濾波器後加緩衝器),以及將緩衝器輸出回饋回AD8479的負基準接腳,由此AD8479可建構為高電壓精密漏斗放大器。

圖1. AD8479:增益為1/60的功能框圖。

對於精密訊號鏈,將雜訊和失調電壓保持在最小值非常重要。為達到這一項要求,需要具有低雜訊和低失調電壓的緩衝器。出於這些原因及其寬電源範圍,選擇運算放大器 ADA4522 作為單位增益緩衝器。這就使得ADA4522與AD8479採用相同的電源供電,從而降低了系統的複雜性。由於ADA4522的輸入電壓最高不能超過V+減1.5 V,所以使用ADA4522需要權衡整個電路輸出電壓的範圍。由於AD8479和ADA4522具有寬電源範圍,在必要時增加電源電壓可以減輕對供電的壓力。AD8479的輸入電壓範圍限值為±600 V,因此使用±11.5 V或更高的電源電壓時(假定0 V基準電壓),ADA4522的輸入電壓範圍不會限制整個電路。

對於低通濾波器,單極點RC濾波器會達到所需效果。還需要將低通濾波器中的電阻保持為最小值,以減少緩衝器的雜訊,因為運算放大器輸入端的電流雜訊乘以電阻值以及電阻本身的熱雜訊會最終影響運算放大器的輸出雜訊。此外,電阻值太小將需要大濾波電容才能實現相同的–3 dB頻率,這可能會超過AD8479的驅動容性負載能力。如前所述,直流增益為1/60,為了保證運算放大器的穩定,300 kHz時的增益應為單位增益。因此,由於使用了單極點RC濾波器,其應在5 kHz時發生滾降。為了實現上述特性,RC值選擇10 nF和3.16 kΩ其RC也是標準電阻和電容值。

圖2. AD8479:增益為1/60的示意圖。

如前所述,低通濾波器的–3 dB為5 kHz。由於緩衝器會為AD8479內的運算放大器提供負反饋,因此當低通濾波器在f > 5 kHz開始滾降時,AD8479的輸出增益也將同步增加。由於在低通濾波器 開始滾降時,AD8479輸出也以20 dB/十倍頻程的速率增加,由此濾波器的輸出和緩衝器輸出將持平。若緩衝器的輸出作為系統的輸出,則整個系統的頻寬將僅受AD8479的頻寬和輸出範圍的限制。這種限制是由於AD8479的輸出隨著輸出頻率大於5kHz後,其增益的增加而導致的,因此對於5 kHz及高於5 kHz的頻率,此電路需要在輸入電壓範圍和頻率之間進行平衡。例如,150 kHz時30 V p-p輸入將具有–6 dB的AD8479輸出增益,從而產生15 V p-p,這接近AD8479的全功率頻寬。

圖3. AD8479:增益為1/60的改善功能框圖。

圖4中的示波器顯示了AD8479的配置漏斗放大器的結果。通道1顯示的訊號為100 Hz、1200 V p-p,為避免損壞示波器將訊號衰減100倍。通道2是緩衝放大器的輸出,結果符合預期。對於1200 V p-p輸入,漏斗放大器的輸出為20 V p-p。

圖4. AD8479:增益為1/60的示波器輸入和輸出訊號擷取。

圖5中的示波器顯示了30 V p-p、100 kHz輸入訊號的結果。和圖4中一樣,漏斗電路在100 kHz時也衰減1/60。

圖5. AD8479:100 kHz時增益為1/60的示波器輸入和輸出訊號擷取。

圖6顯示AD8479漏斗電路的階躍回應。用15 V p-p方波驅動輸入端可以實現建立時間在幾微秒以內的250 mV p-p階躍回應。

圖6. AD8479:增益為1/60的脈衝回應。

由於AD8479漏斗放大器配置會以比標準AD84791倍增益低的多的增益(衰減)獲得差分訊號,因此雜訊得以降低。對於漏斗放大器的配置,100 Hz的頻譜雜訊密度為 27 nV/√Hz , 0.1 Hz至10 Hz範圍內的電壓雜訊峰對峰值為580nV。如您所見,這些雜訊值大約是AD8479產品手冊中列出的雜訊值的1/60,因此濾波器和緩衝器對雜訊的影響可以忽略不計。這是由於在兩級放大器電路中,第二級的雜訊和失調電壓被第一級的增益分壓而至衰減。 由於從AD8479 Ref–接腳到AD8479輸出接腳之間的增益為–59,此(-1)為緩衝器雜訊和失調電壓將減小的因數(1/(59+1))。

圖7. AD8479:增益為1/60的峰對峰值雜訊(nV) 0.1 Hz至10 Hz。

AD8479的兩個關鍵指標是失調電壓和共模抑制比。由於AD8479的直流雜訊增益現在約為1,因此AD8479內運算放大器的失調電壓將是AD8479產品手冊中標準失調電壓的1/60th,AD8479 B級的失調電壓為±1 mV)。由於從AD8479的Ref–到其輸出的直流增益,緩衝器的失調電壓實際上降低了60倍,因此AD8479本身的失調電壓是造成電壓失調的主要原因。此電路產生的最大失調電壓為±17 μV。同樣的,由於AD8479運算放大器的直流雜訊增益不再為60,AD8479中的CMRR誤差也不會增加60倍。由於CMRR是共模增益與差分增益的比值,這兩個量都減少了60倍,因此對於AD8479漏斗放大器電路,這兩者的CMRR是相同的,AD8479 B級的CMRR為90 dB。

其中一種應用是測量交流電動機的電壓和電流。由於交流電源是數百V電壓,因此很難準確監測電流和電壓。由於AD8479能夠在這些電壓下工作,因此可以使用分流器測量通過馬達的電流。使用上述電路可以實現馬達電壓的測量,由此可輕鬆實現精準的功率監測解決方案。

圖8. AD8479:增益為1/60的高電壓阻抗測量。

儘管AD8479是固定單位增益放大器,但仍可實現精密漏斗放大器。漏斗放大器可用於許多應用,包括補充測量針對相關電壓載入所需要的高壓電流的測量。雖然漏斗放大器的頻寬限制了輸入電壓範圍,但典型的線路頻率在限定的輸入電壓頻率範圍以內,因此對於這些類型的測量,此電路性能是理想的。