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[参考译文] OPA227:使用电容式电压传感器时、OPA227输出具有负)正(偏置

Guru**** 2382630 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA227, OPA191, OPA277
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1439708/opa227-opa227-output-has-negative-positive-bias-when-using-a-capacitive-voltage-sensor

器件型号:OPA227
Thread 中讨论的其他器件: OPA191OPA277

工具与软件:

1.电容式电压传感器的原理如图所示:


2.设计原理图如图所示:(原理图上只留下一个通道的原理图、但实际上8个通道都有同样的问题)
传感器输出通过连接器 J600和 R601后、将输入到 OPA227中。 通过低通滤波器后、它被输入到 ADC ADS8588。


3、电流问题是当使用电容式电压传感器时、OPA227将产生负(正)偏置电压输出、导致波形向下(向上)移位失真以及 ADC 采集到的数据不正确。
采取的措施:移除电阻 R600和 R603、从 ADS8588断开、并消除 ADC 的影响。 然后输入波形进行测试。
信号发生器输入10VP-P 的波形、50Hz、然后将其连接到电容式电压传感器(使用两个10nF 电容器串联)、并将大约5VP-P 的波形输出到连接器 J600、然后通过 OPA227输出。
图1:OPA227输入前端波形

图2:   OPA227输出端的波形 (具有负偏置)


5.起初、我怀疑偏置电压是由输入端子引入的、因此我将前端的电阻 R601电容改为10 μ F。 但是、该问题仍然存在、并且可能存在负偏置或正偏置。
6.然而,使用电磁电压传感器并不是问题,因为波形不会显示任何向上或向下偏压。 基本上、摆幅大约为0V。 电磁电压传感器如下图所示:


7.在通过 OPA227后使用电容式电压传感器时、为什么存在不确定的正偏压或负偏压? 此外、每个通道的偏置尺寸也不同。 当 OPA227的前端输入未引入偏置电压时、为什么通过 OPA227后存在不确定的正偏置或负偏置? 但使用电磁电压传感器不会出现这个问题!
应该如何解决这种偏见问题?

谢谢!

panxiaohong

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    您好、Panxiaohong:

    该问题与 OPA227放大器的直流输入偏置电压有关。  

    本质上、当使用电容分压器传感器时、信号会交流耦合到运算放大器的输入端;但您需要使用分压器来设置运算放大器输入端的直流偏置电压或通过电阻器连接的电压基准来设置输入直流电压。 在上面的电路中、运算放大器电路没有正确偏置放大器输入的直流信号路径、因此高阻抗运算放大器输入会在没有任何明确定义的直流输入偏置点的情况下上下漂移。

    通常、在交流耦合信号应用中、设计人员在放大器输入端使用分压器、使用运算放大器的电压源(或电压基准)将输入偏置到所需的直流电压。  然而、电路设计人员在选择分压器电阻时需要考虑电路交流频率响应。

     您帖子开头的图片中所示的电容式电压传感器上的传感器上的电容器的电容值是多少?  

    基频为~50Hz。 所关注的最小和最大输入信号频率范围是多少?  

    谢谢。此致、

    Luis

      

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    您好、Luis:ó n

     电容式电压传感器上传感器上的电容值 为:μ F

    AD 的输入电压如下:Vout=(100/3100) Vin。

    频率范围是指电力系统的频率。它是50Hz 到60Hz。

    如何设置运算放大器前端中的分压器?  因为我们之前已经进行了设置、所以结果变成了一个高通滤波器、并且无法在输出端。Ω 处测试信号

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    尊敬的霞蓬:

    是的、在交流耦合传感器上使用分压器或偏置上拉/下拉电阻器来提供直流偏置、会设置高通滤波器的转角。 当传感器电容衰减器使用相对较小的电容器来尝试测量低频信号时、选择电阻器可能会成为一项挑战。 高通转角频率需要设置为低于相关50Hz 信号的频率。

    传感器的等效电容是100pF 和3000pF 电容器的并联组合。 因此、等效输入电容为3.1nF。  如果需要将输入偏置到地、我们需要将偏置电阻器连接到 GND、其等效阻抗高于10.3MΩ Ω、以将高通-3dB 转角频率设置为低于5Hz (比相关50Hz 信号低十倍频以上)。

    一个可能的解决方案是使用一个连接到 GND 的25mΩ Ω 电阻器。  OPA227是一款输入偏置电流为 ±1.5nA 的双极晶体管输入级放大器。  由于我们会应用相对高阻抗输入偏置电阻器、 为了最大限度地减少误差、建议的解决方案是使用能够提供更低输入偏置电流的 CMOS (或 JFET)输入放大器。 例如、OPA191是一款 CMOS 输入放大器、具有低得多的输入偏置电流;这有助于降低噪声。  请参阅下面的可能电路。

    频率响应从2Hz 扩展到364kHz。  我们可以调整运算放大器输出端的 RC 滤波器以限制 BW。

    TINA 仿真文件:

    e2e.ti.com/.../OPA191_5F00_example.TSC

    谢谢。此致、

    Luis

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    好的。

    我会在你尝试后给你反馈!

    顺便说一下、

     OPA227的输入偏置电流 不是 ±1.5nA、而是 ±2.5nA

    谢谢

    panxiaohong

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    Xiaohong,

    OPA277是一款具有输入偏置电流消除功能的双极输入器件、因此得到的输入偏置电流是输入偏置电流与消除电流之间的差值。 残余输入偏置电流可以是正的或负的。 25°C 的输入偏置电流可高达 ±10nA (保守值)、其中许多器件上的输入偏置分布相对接近0。 基于样本中平均值+ 1 Σ 分布的典型值约为 ±2.5nA。 图6-15中数据表的典型特性显示了典型器件的输入偏置电流行为与温度间的关系图。

    此致、

    Luis

     

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    您好、 Luis:

    1、根据仿真原理图,在针脚 PIN2(V+)处添加一个25M 电阻器,输出信号波形在 电容100pF+3000pF 测试下仍有偏压。 图如下所示:

    2.使用0.1uF+0.1uF 的电容在 OPA191的 PIN2(V+)处达到10Vp-p , 因为我们的信号发生器只能达到最大20Vp-p ,波形也显示偏压。

    OPA191前端的波形如下:

    、OPA191后的波形如下所示、并且出现了车顶切割现象。

    3. 我也尝试过使用 TL091的差分输入配置, TL091的输出也有 一种屋顶切割现象。

    你还有其他想法吗?

    谢谢!

    panxiaohong

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    尊敬的潘晓红:

    该问题与运算放大器电路无关、而是与电容分压器或传感器注入的直流偏置有关。

    您能解释一下吗:您是否有此传感器的数据表?  或者 您是否尝试使用标准电容器构建电容分压器?   

    您可能无法正确地对传感器的阻抗进行建模、或者您可能无法对电容器的完整寄生阻抗进行建模。

    包含电容器非理想行为的完整电容器等效模型包括寄生并联电阻(Rp)、串联电阻和可能会注入直流偏置的串联电感。  电容分压器的非理想行为是由于电容器材料缺陷导致电阻产生、从而导致电容器耗散能量。 这可以在具有并联电阻器(RP)以及电阻(ESR)和串联电感(ESL)的电路中表示。  下面是1µF 电容器的模型、其中包括寄生电阻和电感。  

    需要注意的是、电容器上的寄生电阻分量可能因电容器类型和电容器器件型号而异、并且由于这些参数都是寄生分量、因此这些参数没有得到很好的控制、即使使用相同的电容器类型/器件型号、这些参数也往往因器件和量产批次而异。  

    难点是这些寄生阻抗的变化可能相对较大。 即使我们实施有源直流偏置反馈电路来降低直流偏置、 稍后也会发生"可能"情况、即输入信号可能超出第一个缓冲放大器(由±10V 电源供电)的输入共模电压范围、从而产生削波信号或非工作电路、具体取决于电容分压器寄生阻抗的变化范围...

    是否考虑改用高阻抗电阻分压器?  例如、您可以使用下面的电路。 您可以使用一组串联电阻器来适应高电压、而不会违反电阻器的额定电压。  分压器将衰减信号的交流和直流分量。 如果您希望消除直流偏置、则可以添加第二级交流耦合缓冲器。

    谢谢。此致、

    Luis