在采用反相运算放大器的反馈环路中,高共模差动放大器有助于最高达500 V的高压差分测量。
用低压电子器件监控电力线电压或其它大信号有两种常用解决方案:一种是用高电阻分压器衰减输入,后接一个运算放大器作为缓冲器(图1a);另一种是使用高输入阻抗的反相运算放大器(图1b)。这些方法有几个缺点:主要用于单端测量,易受接地噪声影响;无法抑制共模电压;电阻的功耗不同,导致增益误差。

更好的方法是使用差动放大器。图2所示的单位增益差动放大器 AD629 可以抑制极高的共模信号(采用15 V电源时最高可达270 V)。为了实现这一高共模电压范围,可用精密的内部电阻分压器将同相信号衰减20倍。其它内部电阻恢复该增益,以提供差分单位增益。基准输入接地时,完整的传递函数为:

通过激光晶圆调整实现电阻匹配,使共模抑制 (CMR) 达到86 dB(最小值)。

图3所示是一个非常有用的应用,它利用AD629和一个运算放大器(例如AD708AD7082)提供可调增益。差分输入信号加在差动放大器A1上,它可抑制输入端的任何共模电压。增益为1时,输出端也是该差分输入。然后,输出电压加在运算放大器A2的输入端,A2被配置为一个增益为–R2/R1的电压反相器,该反相器的输出电压加在差动放大器的基准电压引脚 (REF+) 上,乘以增益19,然后与A1的输出相加。该负反馈环路的输出为:

电容C1 (100 nF) 和电阻R2 (20kΩ)) 使环路保持稳定,并将带宽设置为大约1 kHz。

该电路所能处理的最大差分信号由放大器A1和A2的输出范围决定。当R2/R1小于或等于1时,放大器A1的输出将首先饱和。采用±15 V电源时,该电路可以处理最高达520 V峰峰值的差分电压。采用±10 V或±5 V电源的系统分别可以处理最高达320 V或120 V峰峰值的差分电压。当R2/R1大于1且放大器A2具有轨到轨输出时,上述范围分别可以扩展至接近600 V、400 V和200 V峰峰值。
环路周围的负反馈有助于降低运算放大器A1输出端所接受的电压。这意味着,即使存在大差分电压,该电路的输入范围也能抑制大共模电压。
图4包括两幅图:第一幅图为采用±15 V电源时测量400 V峰峰值差分信号的结果,第二幅图为存在50 V共模电压时测量400 V峰峰值差分信号的结果。可以看出,此电路允许非常大的差分输入,能够抑制共模电压,并允许由电阻R2与R1的比来设置差分增益,便于用户选择适当的衰减水平。差动放大器内部的电阻经过精密激光调整,并采用低漂移薄膜材料制造,因此系统不会出现电阻自热误差。
