Lionel Wallace, Jason Fischer, and Benjamin Douts

能夠實現高精度輸出的可調高壓電源可能很難構建。誤差通常是由時間、溫度和生產過程中的變化引起的。傳統上用于反饋的電阻網絡是常見的誤差源。本文將介紹一種利用集成電路（IC）反饋路徑的新穎設計。該電路適用于傳感器偏置應用，與使用電阻網絡進行反饋的設計相比，具有更高的精度、更低的漂移、更大的靈活性，甚至節省成本。

圖1顯示了構建可調高壓偏置電路的傳統方法。DAC用于產生控制電壓，運算放大器用于提供增益。圖1中的電路采用0 V至110 V控制電壓提供~0 V至5 V的輸出。

由于高壓傳感器通常具有很強的電容性，因此通常使用電阻（R2）將運算放大器輸出與負載隔離，并避免潛在的穩定性問題。

圖1.高電壓、可調偏置電路的傳統方法。

在某些情況下，這些電路工作得足夠好。當需要更高的精度或更一致的長期性能時，利用IC來實現反饋可能是有益的。

IC反饋實現

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

輸出電壓可在 ~0 V 至 110 V 范圍內調節

輸出電流 >10 mA

初始精度為 ±0.1 % （典型值）

無需外部精密電阻

圖2中的電路由三個主要部分組成：控制電壓、積分器和反饋路徑。反饋由集成電路提供，而不是前面描述的電阻網絡。

控制電壓輸入范圍為0 V至5 V。電路增益22提供~0 V（0 V × 22）至110 V（5 V × 22）的輸出偏置電壓。為了產生控制電壓，選擇了AD5683R。AD5683R是一款16位納米DAC，內置2 ppm/°C基準電壓源。選擇5 V輸出范圍可使電路以~0.110 mV步長提供~1 V至68 V的偏置電壓。?

對于積分器，選擇了LTC6090。LTC?6090 是一款高電壓運放，能夠提供軌至軌輸出并提供皮安級輸入偏置電流。低輸入偏置電流對于實現所需的高精度至關重要。此外，LTC6090通常提供>140 dB的開環增益，因此有限環路增益引起的系統誤差被大大減小。

LTC6090 將反饋電壓與控制電壓進行比較，并對差值 （即誤差） 進行積分，從而調節輸出 （V偏見） 到所需的設定值。R1和C1形成的時間常數設定積分時間，不影響放大器精度，因此不需要精密元件。為了進行測試，將負載建模為11 kΩ電阻與2.2 μF電容并聯。

圖2.用于~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 差動放大器為反饋環路提供了一個 22 （增益 = 0.4545...） 的衰減。實現 22 衰減所需的連接可通過使用 LTC1997-2 的在線計算器輕松確定。該工具的屏幕截圖如圖 3 所示。

LT1997-2 非常靈活，并允許多種增益 / 衰減組合。數據手冊中提供了示例，評估板通過跳線可選設置支持多種增益組合。

圖4.LT1997-2 評估板 （增益通過跳線和附加導線設定）。

測試設置

該電路采用LTspice建模，符合設計目標。通過使用以下評估板簡化了硬件測試：

EVAL-AD5683R： AD5683R DAC評估板

DC1979A：LTC6090 140 V軌到軌輸出運算放大器的演示板（針對測試進行了修改）

DC2551A-B：用于 LT1997 可配置精準放大器的演示板 （針對測試進行了修改）

DC2275A：LT8331升壓、10 V ≤ V的演示板在≤ 48 V， 120 V外高達 80 mA 時

DC2354A：用于配置為負 V 的 LTC7149 降壓轉換器的演示板外;
3.5 V ≤ V在≤ 55 V;V外= –3.3 V/–5 V/可調至 –56 V，電流高達 4 A

產生控制電壓

電路的控制電壓使用AD5683R評估板設置。該板通過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提供一個簡單的GUI，用于配置AD5683R和設置DAC輸出電壓。輸出電壓為高壓偏置輸出提供設定值。

圖5.測試配置框圖。

圖6.AD5683R評估板的ACE接口截圖。

直流精度

表 1 和圖 7 中的測量結果是使用 Keysight 34460A 數字萬用碼在 24°C 環境溫度下進行的。AD5683R評估板的輸出校準至小數點后四位，并通過ADI公司的ACE軟件進行控制。這些結果來自一組電路板，不代表最小/最大規格。

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圖7.輸出電壓誤差與偏置電壓的關系

請注意，低于~40 V輸出時，誤差主要由電路內的放大器失調決定。在低偏置電壓下，失調幅度大于增益誤差。在較高的偏置電壓下，偏移百分比貢獻較小，增益誤差占主導地位。本文稍后將介紹錯誤分析，并提供更多詳細信息。

交流響應

對各種電壓的控制輸入應用了階躍功能。測量輸出和反饋電壓（見圖8至圖10）。請注意，偏置電壓平滑地斜坡上升到所需值。

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）。

啟動波形

觀察了電源和信號的啟動波形。這樣做是為了確保不會無意中將高電壓施加到偏置輸出上。AD5683R提供從0 V開始的控制電壓。隨著電源的上升，在偏置輸出端觀察到~3 V的小毛刺。鑒于偏置輸出的高電壓特性，這被認為是可以接受的測試目的。

如果要在生產系統中使用該電路，建議對電源進行排序，以便首先施加控制電壓，然后啟動高壓電源。該序列將避免在啟動過程中偏置電壓輸出上出現高壓尖峰的可能性。一個簡單的模擬時序控制器（如ADM1186）可能就足以實現此功能。

圖 11.啟動波形—電源。

圖 12.啟動波形 - 信號。

測試設置的照片

LTC6090 評估板安裝在 LT1997-2 評估板的底部。這些是唯一需要修改測試設置的電路板。DAC和電源評估板用于其庫存配置，為簡單起見，未顯示。

圖 13.LT1997-2 評估板，LTC6090 評估板安裝在底部。

錯誤分析

執行了錯誤分析。電路中的主要誤差源以及典型值和最大值如表2所示。

計算出110 V偏置輸出時的最大誤差為0.0382%或42 mV。這包括器件變化以及整個溫度范圍（–40°C至+125°C）范圍內變化的所有誤差。計算出110 V偏置輸出時的典型誤差為0.00839%，與測量結果（0.008%或9 mV）非常吻合。

關于電源的說明

測試期間使用的硬件由 ±5 V、24 V 和 120 V 電源供電。以下是有關如何選擇這些電源軌的一些附加說明：

AD5R DAC需要5683 V電壓。

為了實現DAC的5 V輸出，電源電壓可能必須設置為略高于5 V。即使是很小的負載也會限制最大輸出值。更多信息請參見AD38R數據手冊第15頁的圖5683。

–5 V用于允許LTC6090和LT1997-2在接近0 V的控制電壓輸入下工作。

LTC6090的輸入共模范圍限制為高于V–3 V。

為方便起見，LTC7149演示板用于產生–5 V電源軌。

LTC7149評估板能夠提供高達4 A的輸出。

該電路在–25 V時需要<5 mA電流。一個簡單的電荷泵逆變器就足夠了。以ADP5600為例。

LTC120的V+為6090 V。

雖然 LTC6090 提供了軌至軌輸出，但重負載需要額外的 V+ 裕量。

24 V用作LT1997-2的正電源。

選擇此電壓以避免過頂操作。LT1997-2 的某些性能特征在 Over-The-Top 區域中會降低。

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*包括零件變化和全溫度范圍
**在 25°C 時

IC反饋與傳統電阻網絡反饋的比較

讓我們比較一下圖1所示傳統方法與圖2所示IC反饋方法的一些設計指標。為了進行比較，選擇了LT1997-2 （見圖14）作為反饋網絡的IC。請注意，LT1997-2 中嵌入了高度匹配的精準電阻器。

圖 14.LT1997-2 的框圖。

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雖然 LT1997-2 比兩個片式電阻器貴得多，但它提供了更好的性能。與金屬膜電阻器網絡相比，LT1997-2 提供了尺寸和成本優勢。與硅基電阻器網絡相比，LT1997-2 在精度和工作電壓方面具有優勢。此外，與所有競爭解決方案相比，LT1997-2 內集成不同的電阻值是一個優勢，如果需要，可通過外部跳線提供增益靈活性。

使用集成精密電阻的IC還有另一個優勢，起初可能并不明顯。放大器的求和結埋在器件內，不暴露在PCB上。這可以保護這些敏感節點免受不需要的輸入。此外，在許多增益配置中，內部電阻從外部連接到地或輸出。這避免了可能影響電路精度的泄漏路徑。

結論

可調、高壓、偏置電路傳統上利用帶有電阻網絡的運算放大器進行反饋，以產生精密輸出。雖然這種方法很容易理解，但實現精確、可重復的性能可能很困難。利用IC而不是電阻網絡提供反饋可以提供更準確和一致的結果。

審核編輯：郭婷