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高壓直流電源集成運放使用常識與應用實例

来源:美端电气 发布时间:2019-06-05 16:38

高壓直流電源集成運放使用常識與應用(application)實例


  一、 高压直流电源运放选用原则与特殊高压直流电源运放
1.高壓直流電源運放選用原則
在選用時:1,有高的性能價格比,一般來說,專用型高壓直流電源集成運放性能較好,但價格較高。2,在工程實踐中不能一味地追求高性能,而且專用高壓直流電源集成運放僅在某一方面有優異性能,而其他性能參數不高,所以在使用時,應根據高壓直流電源電路的要求,查找高壓直流電源集成運放手冊中的有關參數,合理的選用。
2.特殊高壓直流電源運放

  (1)高輸入阻抗型
主要用于測量放大器、模擬調節(adjust)器、有源濾波器及采樣保持高壓直流電源電路等。輸入阻抗一般在10-E12Ω以上。

  (2)低漂移型
主要用于精密测量、精密模拟计算、自控仪表、人体信息检测(jiǎn cè)等方面。它们的失调电压温漂一般在0.2~0.6μV/℃ ,Aud≥120dB,KCMR≥110dB。

  (3)高速型
该类高压直流电源(power supply)集成运放具有高的单位增益带宽(一般要求fT>10MHZ)和较高的转换速率(一般要求SR>30V/μs)。它们主要用于D/A转换和A/D转换、有源滤波器(filter)、锁相环、高速采样和保持高压直流电源电路以及视频放大器等要求输出对输入响应迅速的地方。

  (4)低功耗型
低功耗型一般用于遙感、遙測、生物(Organism)醫學和空間技術研究等要求能源消耗(consume)制的場所。

  (5)高壓型
一般用于獲取較高的輸出電壓的場合,如典型的3583型,電源電壓±150V,UOmax=±140V。接地電阻測試儀原理是新一代变压器直流电阻的测试仪器,它能根据不同型号的电力变压器自动选择测试电流,以最快的速度显示测试结果。直流電阻測試儀并且具有存储、打印、放电指示等功能,内置不掉电存储器,可长期保存测量数据,液晶显示器的采用使得该仪器人机界面良好,是直流电阻测试工作中的首选设备。

  (6)大功率型
用于输出功率要求大的场合,如LM12,输出电流(Electron flow)±10A。

  二、高壓直流電源集成運放外接電阻的選用

  1. 阻值范围
一般高壓直流電源集成運放的最大輸出電流Iom爲(5~10)mA,從圖4.2.1所示反相比例放大高壓直流電源電路可知,流過反饋電阻Rf的電流if應滿足下列要求:
而uo一般爲伏級,故Rf至少取kΩ以上的數量級。Rf和R1取值太小,會增加信號源的負載。如果取用MΩ級,也不合適,其原因有二:1,電阻是有誤差的,阻值越大,絕對誤差越大,且電阻會隨溫度(temperature)和時間變化産生時效誤差,使阻值不穩定(解釋:穩固安定;沒有變動),影響精度;2,高壓直流電源運放的失調電流II0會在外接高阻值電阻時引起較大的誤差信號。所以,高壓直流電源運放的外接電阻值盡可能配用幾千歐至幾百千歐之間。
2.平衡電阻
應使反相和同相輸入端外接直流通路等效電阻平衡。如圖4.2.2中應取R2=R1//Rf。

  三、單電源交流放大器
在仅需用作放大交流信号的线性应用高压直流电源电路中,为简化高压直流电源电路,可采用单电源(正电源或负电源)供电,将双电源供电的高压直流电源集成运放改成单电源供电时必须满足:U+=U-=U0=1/2UCC如图4.6.5a所示高压直流电源电路为 A741构成反相交流电压放大器高压直流电源电路。其中R2、R3称为偏置电阻,用来设置放大器的静态工作点。为获得最大动态范围,通常使同相输入端静态工作点U+=1/2VCC,即
所以取R2=R3。
靜態時,放大器輸出電壓應等于同相輸入端電位。
圖中C1、C2爲放大器耦合(Coupling)電容。
如图4.6.5b所示高压直流电源(power supply)电路(Electric circuit)为单电源供电自举式同相交流放大器。接地電阻測試儀厂家適用于電力、郵電、鐵路、通信、礦山等部門測量各種裝置的接地電阻以及測量低電阻的導體電阻值;本表還可測量土壤電阻率及地電壓。該高壓直流電源電路接入R4的目的是爲了提高放大器的輸入電阻。接入R4後,放大器的輸入電阻爲
式中,ric爲高壓直流電源集成運放共模輸入電阻。
R4越大,放大器的輸入電阻越大。
图4.6.5 单电源交流放大器
a)反相交流放大器 b)自举式同相交流放大器

  四、調零
为了消除高压直流电源(power supply)集成运放的失调电压和失调电流引起的输出误差,以到零输入零输出的要求,必须进行调零。

  (1)對有外接調零端的高壓直流電源集成運放,可通過外接調零元件進行調零。μA741外接調零元件的調零高壓直流電源電路
如圖4.6.6所示。將輸入端接地,調節RP使輸出爲零。

  (2)當高壓直流電源集成運放沒有調零端時,可采用外加補償電壓(voltage)的方法進行調零。它的基本原理(Maxim)是:在高壓直流電源集成運放輸入端施加一個補償電壓,以抵消失調電壓和失調電流的影響,從而使輸出爲零。

  五、高壓直流電源集成運放高壓直流電源電路的消振與保護高壓直流電源電路
1.消振
由于高压直流电源集成运放增益很高,易产生自激振荡(Self excited oscillation),消除自激振荡是动态调试的重要内容。接地電阻測試儀型号電阻測試儀的种类比较多,包括接地電阻測試儀、绝缘電阻測試儀、接地電阻測試儀、直流电阻测量仪、表面電阻測試儀以及回路電阻測試儀。高压直流电源运放是高电压增益的多级直接耦合放大器。信号传输过程中产生附加相移。在没有输入电压的情况下,而有一定频率、一定幅度的输出电压,产生自激振荡,消除自激振荡的方法是外加电抗元件或RC移相网络(Network)进行相位补偿(Phase compensating)。高频自振荡波形如图4.6.7所示。
按说明接入相位补偿元件或相移网络即可消振(Oscillation elioninating)。但有一些需要进行实际调试。其调试高压直流电源电路如图4.6.8所示。
首先將輸入端接地,用示波器可觀察輸出端的高頻振蕩波形。當在5腳(補償端)接上補償元件後,自振蕩幅度將下降。將電容C由小到大調節,直到自激振蕩消失,此時示波器上只顯示一條光線。測量此時的電容值,並換上等值固定電容器,調試任務完成。
入RC網絡後,若仍不到理想消振效果,可再在電源正、負端與地之間分別接上幾十微法和0.01~0.1μF的瓷片電容。
2.电源(power supply)端保护为了防止(fáng zhǐ)电源极性接反而造成运算放大器组件的损坏,可以利用二极管的单向导电性原理,在电源连接线中串接二极管,以阻止电流倒流,如图 4.6.9所示。当电源极性接反时,VD1、VD2不导通,相当于电源开路。
3.輸出保護
为了防止高压直流电源集成运放的输出电压过高,可用两只稳压管反向串联后,并联在负载两端或并联在反馈电阻Rf两端,如图4.6.10所示。当输出电压 小于稳压管稳定电压UZ时,稳压管不导通,保护高压直流电源电路不工作,当输出电压 大于Uz时,稳压管工作,将输出端的最大电压幅度限制在±(UZ+0.7V)。
图4.6.10 高压直流电源运放输出端的保护
a)稳压管与输出端的并联 b)稳压管与反馈电阻并联
4.輸入端保護
高壓直流電源集成運放輸入端保護端保護高壓直流電源電路路圖4.6.11所示。

  六、 高压直流电源集成运放应用示例
1.力传感器桥式放大器图4.6.12所示的高压直流电源电路为一个桥式放大器。图中的SFG-15N1A为Honeywell公司人人视频的硅压阻式力传感器,它是利用微细加工(Processing)工艺技术在一小块硅片上加工成硅膜片,并在膜片上用离子(ion)注入工艺作了四个电阻并连接成电桥。当力作用在硅膜片上时,膜片产生变形,电桥中两个桥臂电阻的阻值增大;另外两个桥臂电阻的阻值减小,电桥失去平衡,输出与作用力成正比的电压信号(U2-2)。力传感器由12V电源经三个二极管降压后(约10V)供电。A1~A3组成测量放大器,其差分输入端直接与力传感器2脚、4脚连接。A4的输出用于补偿整个高压直流电源电路的失调电压。当作用力为0~1500g时,输出0~1500 mV (灵敏度为1mV/g).
图4.6.12 力传感器桥式放大器
2.峰值檢測高壓直流電源電路
在自动控制(control)系统中,往往要求对几个信号的幅度进行比较,然后加以选择。选择其中最高的或最低的作为控制或报警的对象,分别叫做上限检测和下限检测。上限(峰值)检测高压直流电源电路(Electric circuit)如图4.6.13所示。本高压直流电源电路只可选通正向峰值电压,不能选通负向峰值电压。设输入信号ui1>ui2>ui3>0,则A1外接VD1优先导通,箝位在u0=ui1,VDF1截止。其他两路u02=ui2,u03=ui3,VD2、VD3反偏截止,隔离u0 、u02输出。若ui1与ui2、ui3的差值大于二极管的阈值电压,则VDF2 、VDF3导通,防止当u0为正而ui2、ui3为负时在高压直流电源运放两输入端存在过高电压而使高压直流电源运放内部输入级管子击穿,起到保护作用。若要实现下限检测,将所有二极管极性反接即可。
3.电荷(electric charge)放大器
电压式加速度传感器、压电式测力传感器工作时产生正比于被测物理量的电荷量,这类传感器阻抗非常高,呈容性,输出电压很微弱。应用时需加接测量高压直流电源电路(Electric circuit)将电荷量转换成电压量,这种高压直流电源电路称之为电荷放大器。
积分运算高压直流电源(power supply)电路就可将电荷(electric charge)量转换成电压(voltage)量,组成电荷放电器基本高压直流电源电路如图4.6.14a所示,传感器用一因存诸电荷而产生的电动势ut与一个与之串联的输出电容Ct来等效,C为传感器对地的杂散电容。U
  T、Ct與電容上的電量q之間關系爲
Ut= q/Ct
  (1)
图中高压直流电源(power supply)运放同相输入端接地,根据“虚短”、“虚断”的概念,U+=U-=0,相当于将C短路,消除因C而产生的误差,高压直流电源集成运放A的输出电压(交流信号反向放大器,放大倍数用阻抗形式表示)。
將上式代人式
  (1)可得
Uo=-q/Cf
为防止因Ct长时间充电导致高压直流电源集成运放饱和,可在Cf上并联电阻Rf,如图6.5.14b所示。Rf应恒大于1/wC 为此,传感器输出频率不能过低,要求
在实用高压直流电源电路(Electric circuit)中,为减小传感器输出电缆电容对放大高压直流电源电路影响,常将电荷 放大器装在传感器内。图中VD1、VD2为保护二极管,防止传感器过载时有较大输出。