Limitación de la corriente de entrada con divisor de voltaje

Dada la propagación de voltajes y frecuencias que necesita medir, primero me concentraría en la señal de 100Hz (supongamos que la atenúa en 30), lo tomaría de 72Vp-p a 2.4Vp-p y para mantener bajas las impedancias Yo usaría un divisor capacitivo formado por un condensador de 10pF y un condensador de 290pf.

Teniendo en cuenta que quizás esté interesado en los niveles de CC (estará en la señal de 5 MHz), agregaría resistencias en 10pF y 290pF que tienen la misma relación de impedancia, como 1Mohm en 10pF y 34.5kohm en 290pF .

El siguiente es el problema de la señal de 5MHz y necesita atenuar esto (por ejemplo) 2: 1; esto significa que 34k5 y 290pF deben reemplazarse con (por ejemplo) otro conjunto de 10pF // 1Mohm. Luego consideraría que estos componentes adicionales estaban permanentemente en el circuito y que los 290pF y 34k5 eran en realidad 280pF // 35k7, de modo que cuando estaban en paralelo con 10pF // 1Mohm dieron 290pF // 34k5.

Consideraría utilizar un JFET de baja capacitancia para la conmutación: -

TambiénsemuestraelOPA354queesunacapacitanciadeentradabaja,unamplificadoroperacionaldegananciaunitariaa40MHzconvoltajedecompensacióndecente,corrientesdepolarizaciónyruido.Normalmenteseejecutadesdeunafuentedivididade+/-2.5Vcentradaen0V.LafuentedealimentaciónsedividedeestamaneraparaacomodarlaseñaldeCAde100Hz,peropresentaunpequeñoproblemaparalaseñalde5MHzporque,conlaatenuaciónde2:1a5MHz,laentradaseríaigualalrieldealimentación.Estosignificaquelaatenuacióndebediseñarseparaserunpocomásbajotalvez2.5:1.Estosvaloressepuedencalcularfácilmenteapartirdelosquesemuestran,esdecir,el1Mohminferiorseconvierteen667kyel10pFinferiorseconvierteen15pF.Estoscambiostendránunpequeñoefectoenlos35k7y280pF.

Tambiénconsideraríaquelatapade15pFseestáconvirtiendoenunrecortadorparaobtenerelpicojusto-laconfiguraciónseríacomoenunasondadeosciloscopioalrecortar.JFET-2N3819deberíafuncionarbien-tieneunacapacitanciadedrenajedeaproximadamente1pF.

¿Porquétomaresteenfoque?Paratrabajardemaneraefectivaentodoelrangodevoltajeyfrecuencianecesariosisoloseusaranresistencias,esprobablequelacapacitanciadeentradaenlosamplificadoresoperacionalesyloscircuitosdeconmutación(comolosJFETolosinterruptoresanalógicos)seaunpococomplicado.Conloscondensadoresde"la misma relación" se reducen estos efectos. Más para seguir ya que pienso un poco más sobre esto.

Si su objetivo es minimizar la corriente extraída de su fuente de señal, entonces lo que está buscando es un buffer de tensión .

Además, no lo ha dicho, pero a partir de los suministros de +3.3 V repartidos por su esquema, asumiré que su ADC tiene un rango de entrada de 0 a +3.3 V.

Para su primer caso, con una señal de entrada entre 0 y 5 V a 5 MHz, la mejor manera de minimizar la corriente de entrada de su circuito es colocar primero el amplificador de búfer y luego usar un divisor de resistencia para ajustar el rango de voltaje .

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

¿Cómo elegir las resistencias? Si los valores de la resistencia son demasiado altos, entonces la corriente en la entrada del ADC cambiará la tensión en el nodo "A ADC", causando un error en la lectura. Si los valores de la resistencia son demasiado bajos, entonces el amplificador operacional tendrá que suministrar una gran corriente y su distorsión aumentará. Tendrá que encontrar el equilibrio entre estos dos problemas, dado el ADC que ha elegido y la precisión que necesita.

Si encuentra que incluso los valores más altos de resistencia que funcionan con su ADC están causando un problema de distorsión con su amplificador operacional, podría agregar una segunda etapa de búfer después del divisor de resistencia.

Para su segundo caso, una señal de +/- 36 V a 100 Hz, tiene un problema más difícil. Para usar el mismo circuito desde arriba, necesitaría un amplificador operacional que funcione con suministros de +/- 40 V probablemente (debido a que es probable que los amplificadores operacionales de alto voltaje no tengan entradas de riel a riel). Lo que probablemente significaría agregar suministros de +/- 40 V a su sistema.

La forma más sencilla de lidiar con esto, suponiendo que su señal de entrada tenga un ciclo de trabajo cercano al 50%, es probablemente por acoplamiento de CA:

^{simular este circuito}

Entonces, en este caso, ¿cómo elegimos las resistencias?

Una vez más, necesitamos que las resistencias estén lo suficientemente bajas para que la corriente que va a la siguiente etapa no perturbe el divisor de voltaje. Si está utilizando el OPA365, la corriente de entrada es del orden de 10 pA. Dados los valores que dibujé arriba, esta corriente causará un cambio de aproximadamente 1 uV en el nodo divisor de voltaje en el voltaje. Dado que está muy por debajo del voltaje de compensación de 100 uV del OPA365, no será un contribuyente de error notable en su circuito.

Y nuevamente, necesitas aumentar las resistencias para minimizar la carga en la fuente. En este caso, la corriente de entrada será de 36 V / 2 MOhm, o aproximadamente 18 uA. Si esto es demasiado alto para su fuente, querrá escalar los valores de la resistencia, o encontrar una manera de amortiguar la fuente antes de escalarla.

Otra cosa a tener en cuenta con estos grandes valores de resistencia es si nuestro circuito restringirá demasiado el ancho de banda de la señal. Nuestro divisor tiene una resistencia de salida equivalente de aproximadamente 90 kOhms, y está alimentando un amplificador operacional con una capacitancia de entrada de aproximadamente 6 pF (nuevamente, considerando el OPA365). Esto da una constante de tiempo de 270 ns, o una frecuencia de corte de 600 kHz. Si esto hubiera salido por debajo de nuestra frecuencia de señal (100 Hz), tendríamos que mirar hacia abajo para reducir los valores de la resistencia, o encontrar un amplificador operacional con una capacitancia de entrada más baja.

Vale la pena tener en cuenta que muchos ADC tendrán un rendimiento bajo a menos que la constante de tiempo RC formada por la resistencia de entrada efectiva y la suma del límite de muestreo y toda la capacitancia parásita no sea mucho menor (al menos un orden de magnitud) que la tiempo de adquisición del ADC, o bien la capacitancia en el pin es muchos órdenes de magnitud mayor que el límite de muestreo en el ADC. Efectivamente, lo que sucede es que justo antes de tomar una lectura, el ADC conecta la entrada a un tope de muestreo que se ha cargado, por lo que en algunos ADCs, el voltaje generalmente será algo cercano al último valor leído; en algunos será cero; en algunos será arbitrariamente alto o bajo sin un patrón discernible]. Si la constante de tiempo RC es pequeña, el pin "rebotará" a la tensión correcta lo suficientemente rápido como para permitir una medición precisa. Si la capacitancia en el pin es lo suficientemente grande, conectar la pequeña tapa no la moverá. Sin embargo, si no se aplica ninguna de las condiciones, el límite perturbará el voltaje de entrada lo suficiente como para ser medible, y esta perturbación durará lo suficiente como para corromper la medición.

Si bien no puedo ofrecer recomendaciones con respecto a los amplificadores operacionales en particular, debo notar que algunos amplificadores operacionales de baja potencia permitirán que su salida se mueva un poco cuando el ADC conecta su límite de muestreo, y será bastante lento Mueve el pin de nuevo a su nivel correcto. Si se lo puede permitir, sugeriría que el amplificador operacional tenga una capacidad bastante grande, de modo que la tapa pueda evitar que el pin se mueva mucho antes de que el amplificador operacional tenga la oportunidad de reaccionar.