Sinnvolle Schaltung zur Anhebung des Feedbacksignals

Bei der Schaltung in Bild 2 handelt es sich um einen einfachen Differenzverstärker mit vier Widerständen. Die Differenz der an den Eingängen liegenden Spannungen gelangt – verstärkt um einen Faktor bis zu 100 – an den Ausgang. Dabei wirkt sich die Gleichtaktspannung (V_CM) relativ geringfügig aus, speziell wenn die CMRR-Adjust-Funktion richtig eingestellt ist. Die Gleichtaktspannung an den Operationsverstärker-Eingängen darf um bis zu 76 V über der -5-V-Versorgung liegen.

Die an den Eingangswiderständen anstehende Summe der Spannungen V_CM und V_IN kann wegen der abschwächenden Wirkung des Widerstandsteilers am nicht invertierenden Eingang etwas höher sein. Der auf den Offsetstrom zurückzuführende Worst-Case-Eingangsfehler bei extrem hohen Eingangsspannungen beträgt 500 µV. Im Bereich zwischen -5 V und +5 V ist die Genauigkeit üblicherweise besser.

High-seitige Strommessung

Die Schaltung in Bild 3 zeigt einen präzisen high-seitigen Strommessverstärker, der über einen großen Bereich von Eingangs-Gleichtaktspannungen hinweg funktioniert und hochohmig wird, wenn die Versorgungsspannung schwindet. Die Eingänge des Operationsverstärkers werden im High-Status gehalten, und das Feedbacksignal wird mithilfe des FET auf den erforderlichen hohen Pegel verschoben.

Da der FET mit V_BAT betrieben wird, wird sein Ausgangssignal gekappt, sobald es in die Nähe von V_BAT - V_R1 - V_DS kommt. R1 und R3 legen die Genauigkeit der Verstärkung fest. Man könnte den Eindruck gewinnen, dass für R2 ein Widerstand mit 5 % Toleranz ausreicht. Dieser Widerstand wurde jedoch zur exakten Unterdrückung von DC-Fehlern hinzugefügt, die durch den Eingangs-Bias-Strom hervorgerufen werden.

Letzterer ist aber im Over-the-Top-Modus recht hoch, sodass sich die Investition in einen 1-%-Widerstand hier durchaus lohnt. R4 kommt hier wegen Jim Williams zum Einsatz, der niemals ein MOSFET-Gate ohne Widerstand sehen wollte. Der Strombegrenzungs-Widerstand R5 ist aus Vorsichtsgründen vorhanden. Wenn nämlich die Schaltung mit höheren V_BAT- und V_SUPPLY-Werten betrieben wird und nachfolgende Schaltungen ansteuert, die mit niedrigerer Spannung betrieben werden oder ganz abgeschaltet sind, kann es, wenn die Versorgungsspannungs-Leitungen dieser nachfolgenden Schaltungen mit Schutzdioden versehen sind, dazu kommen, dass unvorhergesehene System-Glitches das FET-Gate high treiben. In diesem Fall läge dann die volle VBAT an R3. R5 hält etwaige Schutzdioden oder Kurzschlüsse in den anschließenden Schaltungen in einer gewissen Distanz.

Widerstandswert und Leistung von R5 sollten unter der Annahme gewählt werden, dass der FET hart einschalten kann. Diese Abwägungen sind ein typisches Beispiel für die Überlegungen, die beim Design robuster Schaltungen für Hochvolt-Systeme erforderlich sind.

Um die Eignung des high-seitigen Strommessverstärkers auf niedrigere Eingangsspannungen auszudehnen, kann der doppelte Baustein LT6016 verwendet werden (Bild 4). Die Herabsetzung der Verstärkung in der ersten Stufe hält die Source-Spannung des MOSFET niedrig, wodurch die Untergrenze des Gleichtaktspannungsbereichs auf 0,2 V abgesenkt wird. Die eingebüßte Verstärkung wird in der zweiten Verstärkerstufe wieder aufgeholt.

Fazit

Die Over-the-Top-Verstärkerfamilie LT6015 gibt den Designern industrieller Systeme eine präzise, mit konventionellen, niedrigen geregelten Spannungen arbeitende Lösung zur Überwachung hoher Spannungen in die Hand. Mit ihren eingebauten Schutzmechanismen gegen viele extreme Einsatzbedingungen sorgen die Verstärker für die nötige Betriebssicherheit.

* ¹ Bei „Over-The-Top“ handelt es sich um ein Markenzeichen aus dem Bereich Signalkonditionierung von Linear Technology. „Over-The-Top“-Eingangsstufen wurden für einen zusätzlichen Schutz in rauen Umgebungen entwickelt. Der Gleichtakt-Eingangsbereich erstreckt sich von U- bis U+ und darüber hinaus.

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