作者：Matthew “Rusty” Juszkiewicz

許多應用要求在存在大共模電壓（有些高達幾百伏）的情況下進行差分測量。在這些電壓下進行精密測量可能非常困難且昂貴。但是，AD8479能夠輕松做到這一點。如AD8479數據手冊所述，電阻網絡可將非常大的共模電壓衰減60倍，同時提供單位差分增益。然而，有許多應用可以從漏斗放大器中受益，漏斗放大器能夠承受這些非常高的電壓，同時測量非常大的信號，直到更可用的電壓域。利用AD8479中的精密電阻，可以利用內置衰減因子來實現此類測量。

由于AD8479將信號衰減60倍，因此器件內部的運算放大器必須將該差分信號放大60倍，以實現單位差分增益。增益通過連接到負基準（Ref–）引腳和輸出的電阻之比實現。由于此處的目標僅實現衰減，因此可以通過將輸出信號饋回Ref–引腳來旁路增益。在這種配置中，不再獲得單位增益，而是實現了精密漏斗放大器。由于AD8479采用固定增益配置，放大器可能會得到適當的補償，因此單位增益可能不穩定。為了保持穩定性，這里的一個設計要求是確保放大器在放大器增益滾降之前處于其原始預期增益。AD8479數據手冊列出的典型帶寬為310 kHz，因此負基準電壓源反饋應在此頻率之前滾降。通過低通濾波器連接AD8479輸出，緩沖濾波器輸出，并將緩沖器輸出路由回負基準電壓源引腳，AD8479可用作極高電壓、精密漏斗放大器。

圖1.AD8479：增益為1/60框圖

對于精密信號鏈，將噪聲和失調保持在最小值非常重要。為了保持這一要求，需要具有低噪聲和低失調的緩沖器。出于這些原因，我們選擇了采用單位增益緩沖器配置的運算放大器ADA4522及其寬電源范圍。這使得ADA4522能夠由與AD8479相同的電源供電，從而降低了復雜性。使用ADA4522的一個缺點是整個電路輸出電壓范圍，因為ADA4522的輸入電壓范圍為V+的1.5 V。由于AD8479和ADA4522具有寬電源范圍，因此可以通過在必要時提高電源電壓來緩解這種權衡。AD8479的輸入電壓范圍限值為±600 V，因此，假設基準電壓為4522 V，則使用±11.5 V或更高的電源電壓時，ADA0的輸入電壓范圍不會限制整個電路范圍。

對于低通濾波器，單極點RC濾波器將提供所需的結果。出于與緩沖器相同的原因，還希望將低通濾波電阻保持在最小值以降低其噪聲貢獻。此外，對于相同的–3 dB頻率，電阻值太小需要較大的濾波電容，這可能會超過AD8479的容性負載能力。如前所述，在直流時，增益為1/60，為了穩定工作，300 kHz時的增益應該是單位的，因此，由于使用單極RC濾波器，滾降應該發生在5 kHz。對于RC值，選擇10 nF和3.16 kΩ，因為它們符合上述標準，并且也是標準值。

圖2.AD8479：增益為1/60原理圖。

如上所述，低通濾波器的–3 dB為5 kHz。由于緩沖器為AD8479內部的運算放大器提供負反饋，當低通濾波器開始滾降時，AD8479輸出增益將在f > 5 kHz時增加。由于一旦低通濾波器開始滾降，AD8479輸出將以20 dB/十倍頻程的速度增加，因此濾波器的輸出和緩沖器的輸出將持平。在緩沖器輸出端獲取系統輸出將提供僅受AD8479帶寬和輸出范圍限制的總帶寬。此限制是由于頻率大于8479 kHz時AD5輸出增益增加，因此，對于5 kHz及以上的頻率，該電路具有輸入電壓范圍與頻率權衡。例如，30 kHz時150 V p-p輸入的AD6輸出增益為–8479 dB，產生15 V p-p，接近AD8479的全功率帶寬。

圖3.AD8479：增益為1/60的改進框圖

圖4中的示波器捕獲顯示了AD8479漏斗放大器配置的結果。輸入信號為 100 Hz，1200 V p-p，顯示為通道 1，衰減系數為 100，以避免損壞示波器。通道2是緩沖放大器的輸出，結果完全符合預期。對于1200 V p-p輸入，漏斗放大器顯示20 V p-p。

圖4.AD8479：1/60示波器捕獲輸入和輸出信號的增益。

圖5中的示波器捕獲顯示了30 V p-p、100 kHz輸入信號的結果。如圖4所示，漏斗電路在1 kHz時提供相同的60/100衰減。

圖5.AD8479：1/60示波器增益捕獲100 kHz的輸入和輸出信號。

圖6顯示了AD8479漏斗電路的階躍響應。用15 V p-p方波驅動輸入可產生250 mV p-p階躍響應，該響應在幾微秒內建立。

圖6.AD8479：1/60脈沖響應增益。

由于漏斗放大器AD8479配置不會像標準AD8479那樣增益差分信號，因此噪聲會降低。對于漏斗放大器配置，100 Hz時的頻譜噪聲密度為27 nV/√Hz，580.0 Hz至1 Hz的峰峰值電壓噪聲為10 nV。如您所見，這些噪聲值約為AD1數據手冊中所列值的60/8479，因此濾波器和緩沖器對噪聲的影響可以忽略不計。這是因為在兩級放大器電路中，第二級的噪聲和失調除以第一級的增益。由于AD8479 Ref–引腳到AD8479輸出的增益為–59，因此（減1）是降低緩沖器噪聲和失調的因素。

圖7.AD8479：1/60峰峰值噪聲（nV）增益為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。由于AD8479在直流時的噪聲增益現在約為1，因此AD8479內部運算放大器的失調將為1/60千AD8479數據手冊中規定的失調，B級型號為±1 mV。由于AD60的Ref–到輸出端的直流增益，緩沖器的失調實際上被分頻8479，因此AD8479本身的失調是失調的主要因素。該電路產生的最大失調為±17 μV。 同樣，由于運算放大器AD8479的直流噪聲增益不再為60，因此AD8479的CMRR誤差也不會增加60。由于CMRR是共模增益與差分增益之比，并且這兩個量都減少了60倍，因此AD8479漏斗放大器電路得到的CMRR相同，B級型號為90 dB。

一種應用是測量交流電動機的電壓和電流。由于交流線路有數百個電壓，因此執行精確的電流和電壓監控可能很困難。由于AD8479能夠在這些電壓下工作，因此可以使用分流電阻測量通過電機的電流。使用上述電路，可以直接測量電機兩端的電壓，從而毫不費力地實現精確的功率監控解決方案。

圖8.AD8479：增益為1/60的高壓阻抗測量。

雖然AD8479是一款固定單位增益放大器，但仍可以實現精密漏斗放大器。漏斗放大器可用于許多應用，包括用負載兩端的相關電壓補充高壓電流測量。雖然漏斗放大器的帶寬限制了輸入電壓范圍，但典型的線路頻率完全在輸入限壓頻率范圍內，因此電路性能非常適合這些類型的測量。

審核編輯：郭婷