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RAQ Issue 190: Adjustable, High Voltage Supply Combines Precision and Repeatability for Sensor Bias Applications 作者：ADI公司 Lionel Wallace，現場(chǎng)應用工程師 ｜ Jason Fischer，應用工程師 ｜ Ben Douts，現場(chǎng)應用工程師 問(wèn)題： 有沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的辦法來(lái)創(chuàng )建適合傳感器偏置應用的高壓電源？ 答案： 當然，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高壓電源很難構建。時(shí)間、溫度和生產(chǎn)過(guò)程中的差異等帶來(lái)的漂移通常都會(huì )導致誤差。傳統上用于反饋的阻性網(wǎng)絡(luò )是常見(jiàn)誤差源。本文提出一種利用集成電路(IC)反饋路徑的新穎設計。此電路用于傳感器偏置應用，與利用電阻網(wǎng)絡(luò )提供反饋的設計相比，精度更高，漂移更低，更加靈活，甚至還能節約成本。 圖1顯示了構建可調高壓偏置電路的傳統方法。DAC用于產(chǎn)生控制電壓，運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高的容性，因此一般使用電阻(R2)來(lái)將運算放大器輸出與負載隔離，避免潛在的穩定性問(wèn)題。 
圖1.高壓可調偏置電路的傳統方法 在某些情況下，這些電路工作得非常好。當需要更高的精度或更一致的長(cháng)期性能時(shí)，利用IC實(shí)現反饋是有益的。 IC反饋實(shí)現 圖2所示電路的配置考慮了以下設計目標： ► 控制電壓：0 V至5 V ► 輸出電壓可調范圍：~0 V至110 V ► 輸出電流 > 10 mA ► 初始精度：±0.1%（典型值） ► 無(wú)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是一款內置2 ppm/°C基準電壓源的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是一款高壓運算放大器，能夠提供軌到軌輸出和皮安級輸入偏置電流。低輸入偏置電流對于實(shí)現所需的高精度至關(guān)重要。此外，LTC6090提供的開(kāi)環(huán)增益典型值大于140 dB，因此有限環(huán)路增益導致的系統誤差大大減小。 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)調整到所需的設定值。由R1和C1形成的時(shí)間常數設定積分時(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)行測試，負載建模為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設計工具的屏幕截圖，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22倍衰減所需的連接可以通過(guò)LTC1997-2在線(xiàn)計算器輕松確定。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。數據手冊中提供了示例，評估板通過(guò)跳線(xiàn)可選設置支持許多增益組合。
圖4.LT1997-2評估板（增益通過(guò)跳線(xiàn)和附加導線(xiàn)設置） 測試設置 電路在LTspice中建模并符合設計目標。使用以下評估板來(lái)幫助進(jìn)行硬件測試： ► EVAL-AD5683R：AD5683R DAC評估板 ► DC1979A：LTC6090 140 V軌到軌輸出運算放大器評估板（經(jīng)修改以用于測試） ► DC2551A-B：LT1997可配置精密放大器演示板（經(jīng)修改以用于測試） ► 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VOUT；3.5 V ≤ VIN ≤ 55 V；VOUT = –3.3 V/–5 V/可調至-56 V，最高4 A 產(chǎn)生控制電壓 利用AD5683R評估板設置電路的控制電壓。該板通過(guò)USB端口連接到運行ADI公司ACE（分析、控制、評估）軟件的筆記本電腦。ACE提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的GUI來(lái)配置AD5683R并設置DAC輸出電壓。輸出電壓提供高壓偏置輸出的設定值。
圖5.測試配置框圖
圖6.AD5683R評估板的ACE界面截圖 直流精度 表1和圖7中的測量在24°C環(huán)境溫度下使用Keysight 34460A DMM進(jìn)行的。AD5683R評估板的輸出校準到四個(gè)小數位，并通過(guò)ADI公司的ACE軟件進(jìn)行控制。這些結果來(lái)自一組電路板，不代表最小/最大規格。 表1.實(shí)測輸出電壓與預期輸出電壓
圖7.輸出電壓誤差與偏置電壓的關(guān)系 請注意，在~40 V輸出以下，誤差由電路內的放大器失調主導。在低偏置電壓下，失調的幅度比增益誤差更大。在較高偏置電壓下，失調貢獻的誤差百分比較小，增益誤差占主導地位。本文后面會(huì )提供誤差分析和更詳細信息。 交流響應 將一個(gè)階躍函數應用于不同電壓的控制輸入。測量輸出和反饋電壓（參見(jiàn)圖8至圖10）。請注意，偏置電壓以斜坡形式平滑地變至所需的值。
圖8.階躍響應（0 V至1 V控制輸入）
圖9.階躍響應（0 V至2.5 V控制輸入）
圖10.階躍響應（0 V至5 V控制輸入） 啟動(dòng)波形 觀(guān)察電源和信號的啟動(dòng)波形。這是為了確保不會(huì )將高電壓意外應用于偏置輸出。AD5683R提供從0 V開(kāi)始的控制電壓。隨著(zhù)電源電壓升高，在偏置輸出端觀(guān)察到~3V的小毛刺。鑒于偏置輸出的高壓性質(zhì)，這對測試目的而言是可以接受的。 如果要在生產(chǎn)系統中使用該電路，建議控制電源時(shí)序，使得控制電壓首先應用，然后高壓電源啟動(dòng)。該上電順序將能避免啟動(dòng)過(guò)程中偏置電壓輸出端出現高壓尖峰對的可能性。一款簡(jiǎn)單的時(shí)序控制器（如ADM1186）便足以實(shí)現該功能。
圖11.啟動(dòng)波形—電源
圖12.啟動(dòng)波形—信號 測試設置照片 LTC6090評估板安裝在LT1997-2評估板的底部。測試設置只需要修改這些評估板。DAC和電源評估板以庫存配置使用，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)不予以顯示。
圖13.LT1997-2評估板和安裝在底部的LTC6090評估板 誤差分析 我們執行了誤差分析。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）內的變化所產(chǎn)生的全部誤差。經(jīng)計算，110 V偏置輸出時(shí)的典型誤差為0.00839%，這與實(shí)測結果（0.008%或9 mV）相吻合。 關(guān)于電源的說(shuō)明 測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(shuō)明： ► AD5683R DAC需要5 V電源。 為了實(shí)現DAC的5 V輸出，電源電壓可能必須略高于5 V。即使小負載也可能限制最大輸出值。有關(guān)其他信息，請參閱AD5683R數據手冊第15頁(yè)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(jiàn)，使用LTC7149演示板來(lái)產(chǎn)生-5 V軌。 LTC7149評估板能夠提供最高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區域中會(huì )劣化。有關(guān)其他信息，請參閱LT1997-2數據手冊的第14頁(yè)。 表2.輸出電壓誤差分析
IC反饋與傳統電阻網(wǎng)絡(luò )反饋的比較 我們來(lái)比較圖1所示傳統方法與圖2所示IC反饋方法的幾個(gè)設計指標。對于此比較，選擇LT1997-2（參見(jiàn)圖14）作為反饋網(wǎng)絡(luò )的IC。請注意，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是因為其工作電壓為200 V）
表4.LT1997-2與金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò )比較
表5.LT1997-2與硅基精密電阻比較
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。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。此外，相比于所有競爭解決方案，LT1997-2內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(guò)外部跳線(xiàn)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)。放大器的求和結埋在器件內，未暴露給PCB。因此，這些敏感節點(diǎn)得以免受干擾輸入的影響。另外，在許多增益配置中，內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(jiàn)誤差源。有關(guān)此話(huà)題的更多信息，請參閱LTC6090數據手冊的第14頁(yè)。 結論 可調高壓偏置電路傳統上采用運算放大器，通過(guò)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)現精密、可重復的性能很困難。利用IC而不是電阻網(wǎng)絡(luò )來(lái)提供反饋，可以提供更準確、更一致的結果。 作者簡(jiǎn)介 Lionel Wallace于2009年加入ADI公司。在A(yíng)DI公司任職期間，他擔任過(guò)多個(gè)工程和銷(xiāo)售職務(wù)。Lionel目前在阿拉巴馬州工作，擔任現場(chǎng)應用工程師。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(xiāo)售團隊的應用工程師。他負責支持多種產(chǎn)品，重點(diǎn)是工業(yè)、電信、醫療和軍事應用的開(kāi)關(guān)模式電源的原型設計和評估。他以前的工作經(jīng)驗包括生產(chǎn)管理、電路設計、測試系統開(kāi)發(fā)和RF監管測試。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(lái)納州的現場(chǎng)應用工程師。他從事過(guò)多方面工作，包括測試工程和集成電路設計，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。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
