[参考译文] OPA2180：Rogowski 线圈信号采集

尊敬的用户4973896：

此 TI 高精度设计的发起人在  报告中确实包含了大量有关 Rogowski 线圈输入增益级放大器和积分器级设计注意事项的信息。 由于它们优化了设计 、我建议遵循 TI 设计报告中的信息。

1、是否需要将电路分为两个部分，一个部分用于放大、另一个部分用于集成？

罗氏线圈之后的第一级提供 76 V/V 的电压增益。 对于 88mV 输入( 1000A 时)、运算放大器峰值输出电压约为6.7V。在低得多的电流水平(例如10A)下、运算放大器输出将降至约60.7mV。 对于第一级放大器之后的积分器而言、该电平仍应是可用的电平。 如果您需要低至更低输出电流水平的分辨率、则可能需要考虑更高增益的输入级。

2 μ A TIDA-00777、的运算放大器是 OPA2188。  我之前项目中使用的 OPA2180是否 可用于替代 OPA2188。 两者的价格？

将 OPA2188替换为 OPA2180可能会导致更高的电压偏移误差。 OPA2188的额定电压最大为25uV 偏移(0.03uV/C 漂移)、OPA2180的额定最大漂移为75uV 偏移(1uV/C)。 OPA2188网页列出的价格为1.68/1ku。 OPA2180 WI 页面列出了1.26/1ku 价格。 我肯定会在应用中尝试使用 OPA2180并观察其性能、并确定其是否可接受。

3、是否需要将 ADS8588S 采集范围调整为±5V 以减小放大倍数？

ADS8588S 由 TI 的转换器产品组提供支持、因此他们对该产品非常专业。 在查看数据表时、ADS8588S 具有可设置 为±10V 和±5V 的引脚可编程双极输入

4、电路的结构是首先放大输入信号、然后进行集成。 放大器件在一个步长内放大、可放大100倍至±4V (当 ADS8588S 输入范围为±5V 时)、或放大200倍±8V (当 ADS8588S 输入范围为±10V 时)、或放大电路放大器件，50倍、 ，电路放大器件的次数可能是2次。 如果您放大两个级别、如何分配此放大因子。

该 TI 设计可针对精密测量或快速趋稳进行优化。 在《精密测量》报告的第4.2.1.1节中、作者将第一级增益设置为-16.3V/V、将积分器增益设置为-33.2V/V、从而实现541V/V 的总增益 然后、在第4.2.1.2节"快速趋稳"中、将第一级增益设置为-14.6V/V、并将积分器增益设置为-4.4V/V、从而实现64V/V 的总增益；更低的增益。 增益约为79V/V 的电路更接近快速趋稳设计。

如前所述、对于88mV 输入、您设计的输出峰值约为6.7V。 如果增益保持不变、则必须将 ADS8588S 设置为+/-10V 范围。 但是、可以调节增益放大器电路增益以适应 ADS8588S 的+/-5V 或+/-10V 范围。 您需要查看 ADS8588S 规格以及相对于应用精度/速度要求、哪种范围可提供更好的性能。

5、根据 TIDA-00777电路、放大器件采用同相放大、而积分器采用反向积分。 你有更好的建议吗？

否

、在输入信号的位置添加保护器件 TVS 管、可以使用5V TVS 管。 仍然继续使用两个1N4148并联。

如果将快速小信号1N4148二极管用作输入钳位、则应能够 施加预期的88mV 输入峰值电压、而无需将其打开。 如果输入电压确实进入5倍过载状态、并且假设 Rogowski 线圈产生线性响应、则 OPA2188/OPA2180放大器级输入端将出现大约440mV 峰值。 1N4188二极管很可能会在该电平处正向导通、并开始将电压钳制到正向偏置电平。 如果电压增加到超过该值、二极管将会导通更多电流、并将电压钳制在低于800或900mV 的某个水平。 TVS 二极管特意具有更高的击穿电压、即伏特或更高。 因此、当1N4148输入钳位二极管就位时、TVS 不应导通。 如果您只想在1N4148二极管之一开路时获得额外的保护裕度、则可以添加5V TVS 管。

此外、R9与 OPA2188输入串联、并限制可能流入放大器 ESD 电流路径的电流。 近2千欧的电阻在限制电流方面有很大的作用。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

在第一个答案中、，60.7mV 仍是积分器的可用电平。 积分器的输入是否有可用的范围限制？为什么选择？

2、我不太理解“近2千欧姆的电阻”有很长的路来限制电流。“这是否意味着该电阻应该降低？我能用0Ω。Ω 重新调整它的速度

3、积分器反馈环路的电容器使用薄膜电容器 、电容、薄膜、0.15uF、63VDC、 ，、径向2P μ F 我是否可以用正常的0603电容器替换它？如果不是，μ F、原因是什么？

您好、user4973869、

关于您的问题：

在第一个答案中、，60.7mV 仍是积分器的可用电平。 积分器的输入是否有可用的范围限制？ 为什么选择？

OPA2188积分器级完全可用于60.7mV 的输入电平、 以及从低 到高的宽范围电压电平。 限制因素是 高输入电压端的 OPA2188线性输出电压摆幅范围  线性输出电压范围指定为(V–)+ 500mV < VO <(V+)–500mV。  由于原理图中的积分器级的增益为-33.2V/V、因此最大 输入信号限制为约+/-437mV。

在可用输入电压范围的低端上、它取决于电路中的噪声 、以及 您可以集成的信号电平的低程度。 必须执行完整的噪声分析、以确定峰峰值输入/输出噪声以及支持可用信噪比所需的输入信号大小。 您可能正在查看 低端上的最小信号电平、以毫伏为单位

下面是 OPA2188集成了+60.7mV 阶跃输入的示例。 使用-33.2V/V 的增益、在经过大约5个时间常数后、最大预期输出电压将大约为-2.0V。 您可以看到、积分器生成接近预期-2.0V 的输出大约需要2.5秒。积分时间是为您的电路选择的 R2、C1值的函数。

2、我不太理解“近2千欧姆的电阻”有很长的路来限制电流。“这是否意味着该电阻应该降低？我能用0Ω。Ω 重新调整它的速度

由于电阻为2千欧、因此在输入放大器同相输入端施加的电压必须较大才能使任何明显的电流流动。 例如、如果在 R9的输入端施加+10V 的电压、则可流动的最大电流将为+10V/2k、将为5mA、低于 OPA2188的最大输入电流限制10mA。 实际上、使用电阻器实现电流电平的唯一方法是、如果 ESD 可以通过某种方式开启、并且输入电流具有流过并返回接地的电流路径。 将 R9留空将不会对电流产生任何电阻、 直接施加到输入端的+10V 电压可能会打开 ESD 电池并 导致过高的电流流动(>10mA)、从而损坏运算放大器输入电路。  

3、积分器反馈环路的电容器使用薄膜电容器 、电容、薄膜、0.15uF、63VDC、 ，、径向2P μ F 我是否可以用正常的0603电容器替换它？如果不是，μ F、原因是什么？

积分器电容器的质量在积分器电路中很重要。 低成本电容器 通常 具有比成本更高的薄膜电介质 电容器更有损耗的电介质、从而导致 更高的泄漏电流。 该泄漏电流是误差电流、您会发现积分器输出电压可能不同于 具有高质量电介质的电容器所实现的输出电压。

成本较低的非薄膜电容器的一个次要问题是电压系数特性 、 随着电压的增加、该特性会变得非线性。 薄膜电容器在 施加的电压下表现出更高的线性电压系数、从而减少了积分器电路中的另一个潜在误差源。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

1、TIDA-00777中的公式3， 积分器的增益为1.04，您为什么选择-33.2、该值仅计算为680k/20.5k。

2、我知道2k 电阻器需要大电压才能在 ESD 释放路径中提供任何明显的电流、因此对于我来说、最高的是440MV (88mv*5)输入、我应该 将该电阻降低到88欧姆(0.44/0.005A)、 但您无法更换电阻器。我对吗？

您好、user4973896、

1.如果您从 TIDA-00777中应用 eq.3、积分器增益 GAINV =(-RF || Xc)/R1。 在低频时、Xc 极高、可 从 产生-RF/R1的公式中减去。 使用上述两个电阻器值、GAINV =-RF/R1 =-680k/20.5k =-33.2V/V 当包含容性电抗时 、它会分流反馈电阻、导致阻抗下降、并导致 增益在较高频率下滚降。

2.如果 OPA2180的最高输入电压为88mV、则无需包含过压保护电阻器。 如果您想提供额外的保护措施、可以添加88欧姆或100欧姆电阻器。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

1、积分器内部的电容为微电平。 正如您所说的那样、在50Hz 的情况下、我的总体放大系数不是76*1.04、而应该是76*33.2、这将远远超过 ADS8588S 的输入。

2、您能为我绘制 ESD 释放路径吗？

因此、在运算放大器的积分部分、如果我想实现1.04的增益、并让相位角偏差很小、那么如何计算。

因此、在运算放大器的积分部分、如果我想实现1.04的增益、并让相位角偏差很小、那么如何计算。

您好、user4973896、

OPA2188积分器级的低频增益仅为-RF/RI 或-R6/R11。  如果您希望保持相同的 RC 时间常数、则需要将 RF 保持在680千欧。 然后、当增益为-1.4V/V 时、RI = 680k/1.4V/V 或654千欧。

RF 和 RI 值是非常高的电阻、会产生热噪声。 如果这些电阻值可以减小、同时保持它们之间的1.04：1比率、则可以 降低热噪声。  这样做的一个问题是、为了保持相同的 RC 时间常数、C7必须增加、并且值可能会变大。

如果 C7增加到1uF、则标准值为、RF 可降低到102千欧、RI 可降低到98千欧(1.04：1)。 在之前对电容器质量的响应中提出的要点仍然适用、  1uF 薄膜电容器可能成为尺寸或成本限制因素。 如果是这种情况、则没有选择、而是使用较高值的电阻器。

此致、Thomas

精密放大器

但当我在50Hz 低频下进行仿真时、它不超过10V。比率 不是 2523V/Ve2e.ti.com/.../TIDA_2D00_00777-_2D00_-Gain-_2B00_-Integrator-_2D00_-Precision-Measurement-_2D00_-20190814.TSC

user4973896、

积分器具有-3dB 的截止频率、即：

fc = 1/(2 π 射频 CF)= 1 /(6.26 x 680 E3 x 150e-9)= 1.56Hz

因此、如果您尝试通过电路传递50Hz 信号、则该频率下的增益将大幅降低。 您可以看到电路的增益与频率间的关系仿真。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

   仿真得出的增益与频率间的关系。 我发现整个电路增益为37.83dB，、因此增益比为  76.03. 这是我的问题。 一开始我没有告诉您罗氏线圈的输入信号频率为50Hz。  非常感谢您对病人的解释。非常感谢！