分壓電路設計經驗

1、前些天有人問我如何實現精密的分壓,他認為電阻分壓不夠精密.其實分壓的目的就是為了符合AD轉換的輸入范圍,但其實有時候不但輸入范圍超出AD量程,甚至會是一個負電壓,這個時候需要將電壓平移.反正今天雙休有空,我就說說自己的做法,疏漏之處敬請諒解現今大多數的AD芯片都采用單電源+5V、+3.3V甚至更低的+1.8V供電，其差模輸入范圍一般是±Vref(差分輸入)、0 +Vref,部分允許使用外部基準的芯片允許0 VDD的輸入范圍，但是無論如何無法對一個負的輸入電壓進行A to D的轉換(也許有一些雙電源的AD芯片可以，但我是個新手沒仔細研究過)。如果要對一個過零的正負信號進行AD轉換就必須

2、進行電平的平移。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,因此經過平移后Vout = 0 10V，再經過電阻R18、R19二分壓到符合AD系統(tǒng)輸入范圍的電壓。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源必須是低內阻具有衡壓輸出特性的信號源，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，如果并非二分壓那么R18R19,由于消耗的功率不一

3、樣導致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負載，即使AD系統(tǒng)只吸收很低的電流，等效阻抗很大，也將進一步加大分壓的誤差。對于第一個問題，可以在差分放大前加入一級電壓跟隨器作為緩沖，利用運放的高輸入阻抗減少對信號源的影響，并且運放的低輸出阻抗衡壓輸出的特性可以很好的滿足差分放大級的“特殊”要求。對于第二和第三個問題，使用0.1%低溫漂的精密電阻器可以大為改善。對于第四個問題，再運放負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，但是應當注意的是-使用阻值更小的電阻器將會使消耗功率增加，而消耗功率的增加又使得溫度上升，溫漂問題加重。經過改進的電路

4、如圖2所示：當然，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放和精密電阻器構建的差分放大電路，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% 的性能是絕對優(yōu)勝于分立器件構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格，哈哈。 圖1 圖2但是圖2所示電路在處理一些幅度更大的信號會出現“瓶頸”。一般運放的擺幅在電源軌以內應留有2V的余量。以圖2為例，電平平移以后輸出0 10V，對于圖2中 ±12V供電來說剛好可以滿足，但是如

5、果輸入信號幅度更大 ±7.5V呢？那么即使運放工作在 ±15V的推薦最大工作電壓下也無法滿足，為了輸出不失真的信號運放就只能工作在 ±18V的極限電源電壓下了。那如果先電阻分壓à再跟隨à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： 圖3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)的輸入范圍，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。為了盡量減少對信號源的影響，R1 R2的值必須足夠大，但是對于電壓跟隨器U2來說R1 R2的分壓網絡相當于一個內阻等

6、于R1/R2的信號源，因此U2的輸入阻抗必須足夠大。對于圖3，即使U2等效阻抗高達100M,也將帶來1%的誤差，因此R1 R2數量級的選擇應該綜合考慮信號源內阻和電壓跟隨器的輸入阻抗。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？我們都知道一個高開環(huán)增益，低失調電壓的運放只要將輸出完全反饋到反相端就可以構成電壓跟隨器；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？-那就是一個精密的二分壓電路!因為(Vin+) (Vin-)*G = Vout ，而此時Vin- = Vout 、G=1因此Vin+ = 2Vout,即Vout = 1/2(Vin+)。并且由于失調誤差也同時負反饋到反

7、相端相減，因此儀表放大器的失調誤差為原來的1/2。對于±5平移到010V并且需要分壓到05V的應用，圖4的電路剛好能滿足。他在電平平移的同時實現了精密的二分壓。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信號源影響更??；在輸出端無需經過電阻分壓，因此沒有電阻器的溫漂影響精度的問題；在電平平移的同時實現精密二分壓，因此在相同的電源電壓下允許2倍于圖2的信號輸入幅度。舉個例子，圖4允許 ±10V輸入二分壓并且平移+5.0000V,使輸出010V。但是同樣 ±12V供電的圖2確做不到。 圖4圖4所示電路缺點在于無法隨意比例的進行分壓，而只能是二分壓

8、。如果輸入端是 ±12V的信號，而AD系統(tǒng)只能轉換02.5V的電壓，那么豈不是意味著要進行4次二分壓!?那樣似乎太恐怖了一點，事實沒至于那么糟糕。圖5所示由兩個儀表放大器組成的電路就可以將 ±12V的信號平移到02.4V,也就符合02.5V的AD輸入范圍。首先U4的輸出Va = (Vin+) (Vin-)*G ，且Va = Vin- ，所以Va = (Vin+)*G/(1+G)由圖中可知，設置增益的電阻R7=6.175K,因此G=(49.4/6.175)+1 =9 ,所以Va =(9/10)* (Vin+)然后U5對Vin+與Va做減法，因此U5輸出Vout = (1/10)*(Vin+),再經過電平抬升成02.4V輸出。但是應該注意的是，當