分压电路设计经验

前些天有人问我如何实现精密的分压,他认为电阻分压不够精密.其实分压的目的就是为了符合AD转换的输入范围,但其实有时候不但输入范围超出AD量程,甚至会是一个负电压,这个时候需要将电压平移.反正今天双休有空,我就说说自己的做法,疏漏之处敬请谅解

现今大多数的AD芯片都采用单电源+5V、+3.3V甚至更低的+1.8V供电，其差模输入范围一般是±Vref(差分输入)、0~ +Vref,部分允许使用外部基准的芯片允许0~ VDD的输入范围，但是无论如何无法对一个负的输入电压进行A to D的转换(也许有一些双电源的AD芯片可以，但我是个新手没仔细研究过)。如果要对一个过零的正负信号进行AD转换就必须进行电平的平移。理论上如图1所示的差分放大器就可以完成电平平移的效果，差分放大器的增益等于1，因此V out = Vin + 5.000。Vin = -5 ~ +5V,因此经过平移后V out = 0 ~ 10V，再经过电阻R18、R19二分压到符合AD系统输入范围的电压。

但是图1所示的电路并不理想。第一，放大电路的输入阻抗约等于R16 + R17 = 20K,低的输入阻抗要求信号源必须是低内阻具有衡压输出特性的信号源，否则将造成很大的误差；第二，R8 R9 R16 R17的匹配程度将直接影响增益精度；第三，R18 R19的二分压也将带来2%的最大误差，如果并非二分压那么R18≠R19,由于消耗的功率不一样导致R18温度与R19不相等，温漂将使得分压误差加大；第四，任何接入的电路将等效成一个负载，即使AD系统只吸收很低的电流，等效阻抗很大，也将进一步加大分压的误差。

对于第一个问题，可以在差分放大前加入一级电压跟随器作为缓冲，利用运放的高输入阻抗减少对信号源的影响，并且运放的低输出阻抗衡压输出的特性可以很好的满足差分放大级的“特殊”要求。对于第二和第三个问题，使用0.1%低温漂的精密电阻器可以大为改善。对于第四个问题，再运放负载能力允许的情况下使用阻值更小的电阻器可以将影响降低，但是应当注意的是-----使用阻值更小的电阻器将会使消耗功率增加，而消耗功率的增加又使得温度上升，温漂问题加重。经过改进的电路如图2所示：

当然，你还可以使用单片集成差分放大器去替换后端的用精密运放和精密电阻器构建的差分放大电路，例如单位增益的AMP03。其高共模抑制比(CMRR)：100 dB(典型值) 、低非线性度：0.001%(最大值) 、低失真：0.001%(典型值) 、总增益误差0.0080% 的性能是绝对优胜于分立器件构建的差分放大电路的。然而成本是否增加很多我就不知道了，我不是采购不知道价格，哈哈。

图1

图2

但是图2所示电路在处理一些幅度更大的信号会出现“瓶颈”。一般运放的摆幅在电源轨以内应留有2V 的余量。以图2为例，电平平移以后输出0 ~10V，对于图2中±12V供电来说刚好可以满足，但是如果输

入信号幅度更大±7.5V呢？那么即使运放工作在±15V的推荐最大工作电压下也无法满足，为了输出不失真的信号运放就只能工作在±18V的极限电源电压下了。那如果先电阻分压→再跟随→再作电平平移呢？不就可以很好解决么？我们看看下面的图三：

圖3

图3中电路只需改变R1 R2的比例就可以很容易使输出符合AD系统的输入范围，并且由于先分压再作电平平移，因此输出的最大值就是AD系统允许的输入最大值，上述图2电路的“瓶颈”问题不再存在。为了尽量减少对信号源的影响，R1 R2的值必须足够大，但是对于电压跟随器U2来说R1 R2的分压网络相当于一个内阻等于R1//R2的信号源，因此U2的输入阻抗必须足够大。对于图3，即使U2等效阻抗高达100M,也将带来1%的误差，因此R1 R2数量级的选择应该综合考虑信号源内阻和电压跟随器的输入阻抗。

如果要求更精密的的分压和电平平移是否有更好的办法呢？我们都知道一个高开环增益，低失调电压的运放只要将输出完全反馈到反相端就可以构成电压跟随器；那如果将输出完全反馈到单位增益的仪表放大器反相输入端呢？-----那就是一个精密的二分压电路!!因为[(Vin+) – (Vin-)]*G = V out ，而此时Vin- = V out 、G=1 因此Vin+ = 2V out,即V out = 1/2(Vin+)。并且由于失调误差也同时负反馈到反相端相减，因此仪表放大器的失调误差为原来的1/2。

对于±5平移到0~10V并且需要分压到0~5V的应用，图4的电路刚好能满足。他在电平平移的同时实现了精密的二分压。与图2、图3相比除了具有更高的精度之外，还具有更高的输入阻抗因此对信号源影响更小；在输出端无需经过电阻分压，因此没有电阻器的温漂影响精度的问题；在电平平移的同时实现精密二分压，因此在相同的电源电压下允许2倍于图2的信号输入幅度。举个例子，图4允许±10V输入二分压并且

平移+5.0000V,使输出0~10V。但是同样±12V供电的图2确做不到。

图4

图4所示电路缺点在于无法随意比例的进行分压，而只能是二分压。如果输入端是±12V的信号，而AD 系统只能转换0~2.5V的电压，那么岂不是意味着要进行4次二分压!!!?那样似乎太恐怖了一点，事实没至于那么糟糕。图5所示由两个仪表放大器组成的电路就可以将±12V的信号平移到0~2.4V,也就符合0~2.5V的

AD输入范围。首先U4的输出Va = [(Vin+) – (Vin-)]*G ，且Va = Vin- ，所以Va = (Vin+)*G/(1+G)

由图中可知，设置增益的电阻R7=6.175KΩ,因此G=(49.4/6.175)+1 =9 ,所以Va =(9/10)* (Vin+)

然后U5对Vin+与Va做减法，因此U5输出V out = (1/10)*(Vin+),再经过电平抬升成0~2.4V输出。

但是应该注意的是，当输入信号是快速变化的时候，由于a点波形的滞后，可能带来额外的相位误差。

图5的电路理论上也可以通过设置R7实现任意比例的分压，当然比起两个电阻的成本不知高了多少，也只有要求精度很高的时候才这么做，有条件的网友可以比较一下上面各个器件的价格，我也很有兴趣知道。