可调高压电源兼具传感器偏置应用的精度和可重复性

Lionel Wallace, Jason Fischer, and Benjamin Douts

能够实现高精度输出的可调高压电源可能很难构建。误差通常是由时间、温度和生产过程中的变化引起的。传统上用于反馈的电阻网络是常见的误差源。本文将介绍一种利用集成电路（IC）反馈路径的新颖设计。该电路适用于传感器偏置应用，与使用电阻网络进行反馈的设计相比，具有更高的精度、更低的漂移、更大的灵活性，甚至节省成本。

图1显示了构建可调高压偏置电路的传统方法。DAC用于产生控制电压，运算放大器用于提供增益。图1中的电路采用0 V至110 V控制电压提供~0 V至5 V的输出。

由于高压传感器通常具有很强的电容性，因此通常使用电阻（R2）将运算放大器输出与负载隔离，并避免潜在的稳定性问题。

图1.高电压、可调偏置电路的传统方法。

在某些情况下，这些电路工作得足够好。当需要更高的精度或更一致的长期性能时，利用IC来实现反馈可能是有益的。

IC反馈实现

图2所示电路的配置考虑了以下设计目标：

控制电压：0 V 至 5 V

输出电压可在 ~0 V 至 110 V 范围内调节

输出电流 >10 mA

初始精度为 ±0.1 % （典型值）

无需外部精密电阻

图2中的电路由三个主要部分组成：控制电压、积分器和反馈路径。反馈由集成电路提供，而不是前面描述的电阻网络。

控制电压输入范围为0 V至5 V。电路增益22提供~0 V（0 V × 22）至110 V（5 V × 22）的输出偏置电压。为了产生控制电压，选择了AD5683R。AD5683R是一款16位纳米DAC，内置2 ppm/°C基准电压源。选择5 V输出范围可使电路以~0.110 mV步长提供~1 V至68 V的偏置电压。®

对于积分器，选择了LTC6090。LTC®6090 是一款高电压运放，能够提供轨至轨输出并提供皮安级输入偏置电流。低输入偏置电流对于实现所需的高精度至关重要。此外，LTC6090通常提供>140 dB的开环增益，因此有限环路增益引起的系统误差被大大减小。

LTC6090 将反馈电压与控制电压进行比较，并对差值 （即误差） 进行积分，从而调节输出 （V偏见） 到所需的设定值。R1和C1形成的时间常数设定积分时间，不影响放大器精度，因此不需要精密元件。为了进行测试，将负载建模为11 kΩ电阻与2.2 μF电容并联。

图2.用于~0 V至110 V偏置的LTspice原理图。®

图3.LT1997-2 设计工具的屏幕截图，衰减 = 22。

LT1997-2 差动放大器为反馈环路提供了一个 22 （增益 = 0.4545...） 的衰减。实现 22 衰减所需的连接可通过使用 LTC1997-2 的在线计算器轻松确定。该工具的屏幕截图如图 3 所示。

LT1997-2 非常灵活，并允许多种增益 / 衰减组合。数据手册中提供了示例，评估板通过跳线可选设置支持多种增益组合。

图4.LT1997-2 评估板 （增益通过跳线和附加导线设定）。

测试设置

该电路采用LTspice建模，符合设计目标。通过使用以下评估板简化了硬件测试：

EVAL-AD5683R： AD5683R DAC评估板

DC1979A：LTC6090 140 V轨到轨输出运算放大器的演示板（针对测试进行了修改）

DC2551A-B：用于 LT1997 可配置精准放大器的演示板 （针对测试进行了修改）

DC2275A：LT8331升压、10 V ≤ V的演示板在≤ 48 V， 120 V外高达 80 mA 时

DC2354A：用于配置为负 V 的 LTC7149 降压转换器的演示板外;
3.5 V ≤ V在≤ 55 V;V外= –3.3 V/–5 V/可调至 –56 V，电流高达 4 A

产生控制电压

电路的控制电压使用AD5683R评估板设置。该板通过USB端口连接到运行ADI公司ACE（分析、控制、评估）软件的笔记本电脑。ACE提供一个简单的GUI，用于配置AD5683R和设置DAC输出电压。输出电压为高压偏置输出提供设定值。

图5.测试配置框图。

图6.AD5683R评估板的ACE接口截图。

直流精度

表 1 和图 7 中的测量结果是使用 Keysight 34460A 数字万用码在 24°C 环境温度下进行的。AD5683R评估板的输出校准至小数点后四位，并通过ADI公司的ACE软件进行控制。这些结果来自一组电路板，不代表最小/最大规格。

 

控制电压 （V）	所需偏置电压 （V）	测量偏置电压 （V）	误差 （%）
0.0000	0	0.0121	–
0.5000	11	11.004	0.036%
1.0000	22	22.005	0.023%
1.5000	33	33.005	0.015%
2.0000	44	44.005	0.011%
2.5000	55	55.007	0.013%
3.0000	66	66.007	0.011%
3.5000	77	77.008	0.010%
4.0000	88	88.008	0.009%
4.5000	99	99.010	0.010%
5.0000	110	110.009	0.008%

 

图7.输出电压误差与偏置电压的关系

请注意，低于~40 V输出时，误差主要由电路内的放大器失调决定。在低偏置电压下，失调幅度大于增益误差。在较高的偏置电压下，偏移百分比贡献较小，增益误差占主导地位。本文稍后将介绍错误分析，并提供更多详细信息。

交流响应

对各种电压的控制输入应用了阶跃功能。测量输出和反馈电压（见图8至图10）。请注意，偏置电压平滑地斜坡上升到所需值。

图8.阶跃响应（0 V至1 V控制输入）。

图9.阶跃响应（0 V至2.5 V控制输入）。

图10.阶跃响应（0 V至5 V控制输入）。

启动波形

观察了电源和信号的启动波形。这样做是为了确保不会无意中将高电压施加到偏置输出上。AD5683R提供从0 V开始的控制电压。随着电源的上升，在偏置输出端观察到~3 V的小毛刺。鉴于偏置输出的高电压特性，这被认为是可以接受的测试目的。

如果要在生产系统中使用该电路，建议对电源进行排序，以便首先施加控制电压，然后启动高压电源。该序列将避免在启动过程中偏置电压输出上出现高压尖峰的可能性。一个简单的模拟时序控制器（如ADM1186）可能就足以实现此功能。

图 11.启动波形—电源。

图 12.启动波形 - 信号。

测试设置的照片

LTC6090 评估板安装在 LT1997-2 评估板的底部。这些是唯一需要修改测试设置的电路板。DAC和电源评估板用于其库存配置，为简单起见，未显示。

图 13.LT1997-2 评估板，LTC6090 评估板安装在底部。

错误分析

执行了错误分析。电路中的主要误差源以及典型值和最大值如表2所示。

计算出110 V偏置输出时的最大误差为0.0382%或42 mV。这包括器件变化以及整个温度范围（–40°C至+125°C）范围内变化的所有误差。计算出110 V偏置输出时的典型误差为0.00839%，与测量结果（0.008%或9 mV）非常吻合。

关于电源的说明

测试期间使用的硬件由 ±5 V、24 V 和 120 V 电源供电。以下是有关如何选择这些电源轨的一些附加说明：

AD5R DAC需要5683 V电压。

为了实现DAC的5 V输出，电源电压可能必须设置为略高于5 V。即使是很小的负载也会限制最大输出值。更多信息请参见AD38R数据手册第15页的图5683。

–5 V用于允许LTC6090和LT1997-2在接近0 V的控制电压输入下工作。

LTC6090的输入共模范围限制为高于V–3 V。

为方便起见，LTC7149演示板用于产生–5 V电源轨。

LTC7149评估板能够提供高达4 A的输出。

该电路在–25 V时需要<5 mA电流。一个简单的电荷泵逆变器就足够了。以ADP5600为例。

LTC120的V+为6090 V。

虽然 LTC6090 提供了轨至轨输出，但重负载需要额外的 V+ 裕量。

24 V用作LT1997-2的正电源。

选择此电压以避免过顶操作。LT1997-2 的某些性能特征在 Over-The-Top 区域中会降低。

 

	数据手册的最大误差*
	误差 （%）	误差（μV）	误差 （nA）	反馈节点误差 （μV）	偏置节点误差 （mV）		控制电压 = 1 V 时出错;输出 = 22 V （%）	控制电压 = 5 V 时的误差;输出 = 110 V （%）
LT1997-2 增益	0.008						0.0080	0.0080
LT1997-2 电压失调		200		282	6.204		0.0282	0.0056
LT1997 IB抵消			10	227	4.994		0.0227	0.0045
LTC6090 失调		1000		1000	22		0.1000	0.0200
						总误差 （%）：	0.1589	0.0382

	数据手册中的典型误差**
	误差 （%）	误差（μV）	误差 （nA）	反馈节点误差 （μV）	偏置节点误差 （mV）		控制电压 = 1 V 时出错;输出 = 22 V （%）	控制电压 = 5 V 时的误差;输出 = 110 V （%）
LT1997-2 增益	0.001						0.00100	0.00100
LT1997-2 电压失调		20		28.2	0.6204		0.00282	0.00056
LT1997 IB抵消			0.5	11.35	0.2497		0.00114	0.00023
LTC6090 失调		330		330	7.26		0.03300	0.00660
						总误差 （%）：	0.03796	0.00839

 

*包括零件变化和全温度范围
**在 25°C 时

IC反馈与传统电阻网络反馈的比较

让我们比较一下图1所示传统方法与图2所示IC反馈方法的一些设计指标。为了进行比较，选择了LT1997-2 （见图14）作为反馈网络的IC。请注意，LT1997-2 中嵌入了高度匹配的精准电阻器。

图 14.LT1997-2 的框图。

 

	分立电阻器	LT1997-2	评论*
大小	✔		2×（3.1 毫米 × 1.6 毫米）与 （4 毫米 × 4 毫米）
成本	✔✔✔		2 × （$0.11） 对比 $3.39 （~1k 价格）
电阻精度		✔✔	0.1% 对比 0.008%
温度漂移		✔✔	25 页/分钟/°C 对比 1 页/分钟/°C
最大传感器电压		✔	200 V 对比 270 V

	金属膜电阻器网络	LT1997-2	评论*
大小		✔✔	（8.9 毫米× 3.5 毫米× 10.5 毫米）与（4 毫米× 4 毫米× 0.75 毫米） 电阻器为通孔，高度为 10.5 mm
成本		✔✔✔	22.33 美元与 3.76 美元（~500 片价格）
电阻精度	绑	绑	0.005% 对比 0.008%
温度漂移	绑	绑	1.5 页/分钟/°C 对比 1 页/分钟/°C
最大传感器电压	✔		350 V 对比 270 V

	硅基电阻器网络	LT1997-2	评论*
大小	✔		（3.04 毫米 × 2.64 毫米）与 （4 毫米 × 4 毫米）
成本	✔		$1.90 对比 $3.39 （~1k 价格）
电阻精度		✔	0.035% 对比 0.008%
温度漂移	绑	绑	1 页/分钟/°C 对比 1 页/分钟/°C
最大传感器电压		✔✔	80 V 对比 270 V

 

虽然 LT1997-2 比两个片式电阻器贵得多，但它提供了更好的性能。与金属膜电阻器网络相比，LT1997-2 提供了尺寸和成本优势。与硅基电阻器网络相比，LT1997-2 在精度和工作电压方面具有优势。此外，与所有竞争解决方案相比，LT1997-2 内集成不同的电阻值是一个优势，如果需要，可通过外部跳线提供增益灵活性。

使用集成精密电阻的IC还有另一个优势，起初可能并不明显。放大器的求和结埋在器件内，不暴露在PCB上。这可以保护这些敏感节点免受不需要的输入。此外，在许多增益配置中，内部电阻从外部连接到地或输出。这避免了可能影响电路精度的泄漏路径。

结论

可调、高压、偏置电路传统上利用带有电阻网络的运算放大器进行反馈，以产生精密输出。虽然这种方法很容易理解，但实现精确、可重复的性能可能很困难。利用IC而不是电阻网络提供反馈可以提供更准确和一致的结果。

审核编辑：郭婷