差分放大器:实现无热量高交流电压精准测量

时间:2025-05-21

电子测量领域,准确测量交流高电压一直是一个重要的课题。传统的测量交流高电压的方法通常采用双电阻串联的分压器。在这种方法中,会在其中一个元件上选择电阻,使其为两个元件上电压的任意分数,例如 1/1000,然后通过放大器读取电压差异。


图 1 展示了两种常见的测量大信号的方法。种方法包含两个电阻分频器和一个输出缓冲区;第二种方法是带有大衰减器的逆变器。然而,这两种方法都存在测量误差问题。原因在于只有一个电阻耗电,进而产生热量。这种自热现象以及由此导致的电阻变化会引发较大的线性误差。此外,与这些方法相关的另一个问题与放大器有关。放大器的偏移电流、偏移电压、共模抑制比(CMRR)、增益误差以及放大器和电阻器的漂移等因素,都可能显著降低系统的整体性能。


为了解决上述问题,一种新的电路应运而生。如图 2 所示的电路能够测量超过 400 伏的尖峰到尖峰电压,并且线性误差小于 5 百万。该电路会使输入信号衰减 20 倍,并将其缓冲到输出。放大器和衰减器电阻被封装在一起,这样衰减器串中的两个电阻就能处于同一温度。放大器级采用超级贝塔晶体管,因此偏移电流和偏置电流误差很小。而且由于在低频率下没有噪声增益(即有 100% 的反馈),偏移电压及其漂移几乎不会产生误差。


在这个新的测量系统中,AD629 差分放大器发挥了关键作用。AD629 是一款具有非常高的输入公共模式电压范围的差分放大器。它是一种精密设备,能够让用户在存在 250 伏高通用模式电压的情况下测量差动信号。


AD629 具有诸多优点。它能够提供成本效益高的隔离,在不需要电隔离的应用中可以替换昂贵的隔离放大器。该设备可以在超过 270V 的共同模式电压范围内运行,并且具备输入保护功能,可避免共同模式或差动电压过渡到 500V。


从性能参数方面来看,AD629 具有低偏移、低增益误差漂移以及低共模排斥性漂移等特点,在较宽的频率范围内拥有优良的共模抑制比(CMRR)。由于 AD629 的 100% 反馈不稳定,所以增加了一个 30pF 的电容来引入一个极和一个零的反馈增益,从而稳定电路并化系统带宽。有了这个电容器后,极在 13 千赫,零频率在 265 千赫。


AD629 具备一系列显著的特点:


  1. 高精度:AD629 拥有高共模抑制比(CMRR)和低增益误差,这使得它能够在存在大量共模噪声的环境中准确地放大差分信号。在实际应用中,很多测量场景都会受到共模噪声的干扰,而 AD629 的高精度特性能够有效克服这些干扰,确保测量结果的准确性。
  2. 可编程增益:用户可以通过一个外部电阻很方便地设置 AD629 的增益,其增益范围通常为 1 到 1000。这种灵活性使得 AD629 能够适应不同的应用场景。例如,在不同的测量任务中,所需的增益可能不同,通过可编程增益功能,用户可以根据实际需求进行调整。
  3. 低功耗:AD629 在满量程输出时仅消耗几毫安的电流,这一特性使得它非常适合于电池供电的设备。对于一些需要长时间运行且依靠电池供电的设备来说,低功耗能够延长电池的使用寿命,提高设备的使用效率。
  4. 输入阻抗高:高输入阻抗能够确保对输入信号的干扰,特别是在测量微弱信号时尤为重要。当测量微弱信号时,输入阻抗低可能会导致信号的衰减和失真,而 AD629 的高输入阻抗可以有效避免这些问题。
  5. 宽电源电压范围:AD629 可以在较宽的电源电压范围内工作,这使得它更具通用性。不同的应用场景可能需要不同的电源电压,宽电源电压范围使得 AD629 能够适应更多的应用环境。
  6. 出色的稳定性:即使在长时间工作后,AD629 的性能仍然非常稳定,这对于需要长时间运行的应用来说至关重要。在一些需要持续监测和测量的应用中,放大器的稳定性直接影响到测量结果的可靠性,AD629 的出色稳定性能够满足这些应用的需求。
  7. 小封装:AD629 通常提供小型封装,使得它易于集成到紧凑型电子设备中。随着电子设备越来越朝着小型化、集成化的方向发展,小封装的放大器能够更好地适应这一趋势。
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