고 임피던스 입력을위한이 클램핑 전압 분배기는 우수하고 견고한 설계입니까?

다음과 같이 AC 입력이 있습니다.

1. 연속적으로 ± 10V ~ 최소 ± 500V 범위 일 수 있습니다.
2. 대략 1Hz에서 1kHz까지 작동합니다.
3. 100kΩ 이상의 임피던스가 필요합니다. 그렇지 않으면 진폭이 변경됩니다.
4. 때때로 연결이 끊어지고 시스템이 ESD 이벤트를받을 수 있습니다.

입력이 20V 미만이면 ADC를 사용하여 파형을 디지털화해야합니다. 20V를 초과하면 범위를 벗어난 것으로 무시할 수 있지만 시스템이 손상 될 필요는 없습니다.

ADC는 비교적 강성 신호를 필요로하기 때문에 추가 단계를 위해 입력을 버퍼링하고 싶었습니다.

추가 입력으로 공급할 수있는 안전하고 강력한 출력을 얻기 위해 초기 입력 스테이지에 대해 다음 회로를 설계했습니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

내 목표는 다음과 같습니다

1. 소스에서 100kΩ 이상의 임피던스를 확인하십시오.
2. ± 20V 입력을 대략 ± 1.66V 출력으로 변경하십시오.
3. 딱딱한 출력을 제공하십시오.
4. 연속적인 고전압 입력 (최소 ± 500V)을 안전하게 처리하십시오.
5. ± 7.5V 레일에 많은 전류 / 전압을 덤프하지 않고 ESD 이벤트를 처리합니다.

회로 설계에 대한 이론적 근거는 다음과 같습니다.

1. R1 과 R2 는 전압 분배기를 형성하여 전압을 12 배 줄입니다.
2. TVS의 다이오드 반응하여 신속하게 내 (약) ± 7.5V 레일에 아무것도 투기하지 않고, 내 강력한 지상에 덤핑 입력에 ESD 이벤트에 대해 보호 할 수 있습니다.
3. TVS의 다이오드는 극단적 과전압을 처리하여 접지로 분로 (± 500V 지속). 이 경우 전류를 제한하는 것은 R1 을 지났습니다 .
4. D1 과 D2 는 분압 전압을 ± 8.5V로 클램핑하므로 C1에 고전압 커패시터가 필요하지 않습니다 . R1 이후에 이들을 통한 전류도 제한된다.
5. $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

이 회로는 내 목표에 최적입니까? 문제가 생길까요? 개선해야합니까, 아니면 목표를 달성하는 더 좋은 방법이 있습니까?

편집 1

1. 원래는 이것이 ± 200V를 지속적으로 처리해야한다고 말했지만 ± 500V가 더 안전한 대상이라고 생각합니다.

2. 위해서는 TVS의 있는 그대로 작업에 다이오드, R1은 두 저항, 여기에 분할 할 필요가 중, R1a 및 R1b에 의해 제안, @ jp314 :

^{이 회로를 시뮬레이션}

편집 2

지금까지받은 제안을 통합 한 수정 된 회로는 다음과 같습니다.

1. 전원 공급 장치의 제너 ( @Autistic ).
2. 그것들로 이어지는 저항 ( @Spehro Pefhany ).
3. 고속 BAV199 다이오드 ( @Master ; @Spehro Pefhany가 제안한 BAV99의 낮은 누설 대안 이지만, 최대 정전 용량은 1.15pF가 아니라 약 2pF 임에도 불구하고).
4. TVS 다이오드가 전면에서 500V ( @Master )로 업그레이드되어 ESD 이벤트 만 처리하여 R1을 보호 합니다.
5. 연산 증폭기 출력에서 ​​음의 입력 ( @Spehro Pefhany 및 @Master )으로의 데드 쇼트 .
6. C1 에서 10μF로 감소 ( @Spehro Pefhany ); 이는 1Hz에서 0.3 % 전압 강하를 일으켜 원래 220μF 캡만큼 좋지는 않지만 커패시터 소싱을 더 쉽게 만듭니다.
7. 전류를 OA1 ( @Autistic 및 @Master ) 로 제한하기 위해 1kΩ 저항 R6 을 추가했습니다 .

^{이 회로를 시뮬레이션}

D1 & D2는 TVS가 아닌 입력 서지를 취합니다. 220k를 200k + 20k로 나누고 TVS와 다이오드 사이에 20k 부분을 넣으십시오.

또는 해당 노드에서 GND까지 4.7V 제너를 사용하십시오.

R3 / C2가 필요하지 않습니다. 비 반전 연산 증폭기 입력은 바이어스 전류 DC 경로 (220K 아님)에서 R2 (20K)를 '보이므로'이를 단락으로 대체하면 오프셋을 무시할 수 있습니다. R3 / C2를 고집하는 경우 아래 계산을 참조하십시오.

220K는 1Hz에서 0.7uF의 용량 성 리액턴스를 나타내므로 작고 저렴한 10uF 세라믹 커패시터는 직각으로 약 7 %를 추가하여 0.3 % 미만의 총 효과를 추가하는 것이 좋습니다. . 그러나 클램핑으로 인해 몇 가지 영향이있을 수 있으므로 정확히 어떻게 작동하는지 에 따라이를 조사하는 것이 가장 좋습니다 . 클램핑 할 때 저임피던스 클램프와 직렬로 20k를 '볼'수 있으므로 시정 수는 11 배 더 짧습니다.

R1은 신뢰성을 위해 매우 중요 합니다. 사실상 모든 전압이 그 전압에서 강하됩니다. 특히 입력 전압이 전원에서 나오는 경우 몇 kV를 의미 할 경우 예상되는 모든 과도를 견딜 수있는 고전압 유형이어야합니다. Vishay VR25가 적합 할 수 있습니다 (납). 여기에서 뛰어 내리지 마십시오. 마지막 몇 페니가 신뢰성보다 더 중요하지 않은 한,이 목적으로 여러 개의 일반 저항기를 사용하는 팬은 아닙니다. 더 높은 신뢰도를 위해 올바르게 정격 된 두 개의 저항을 직렬 로 사용할 필요가 없다면 적절한 등급의 부품 하나만 있으면 됩니다. .

TVS를 잃어 버리고 션트 (예 : 제너 쌍) 또는 BAV99 쌍과 같은 저용량 스위칭 다이오드를 사용하여 제너 또는 TL431 (공급 레일에 저항이있는)과 같은 사전 바이어스 션트에 직접 클램핑하는 것이 좋습니다. 후자는 제너를 직접 사용하는 것보다 커패시턴스가 훨씬 적기 때문에 중요한 경우 1kHz에서 더 적은 위상 편이가 발생합니다. 클램핑 전류는 200V에서 1mA 미만이므로 R1이 적용되는 모든 EMF를 견딜 수있는 한 크게 부담이되지 않습니다. 내가 제안한 두 가지 옵션 모두 최소한 잠시 동안 100mA를 쉽게 클램핑 할 수 있습니다.

R3 / C2는 실제로 저역 통과 필터를 형성하지 않습니다. R3과 op-amp 의 입력 커패시턴스 는 저역 통과 필터를 형성하며, C2는 이상적으로 훨씬 더 크게 선택됩니다. 따라서 입력 커패시턴스가 15pF이면 1nF를 사용할 수 있습니다 또는 그런 것. 결과적으로 위상 변이가 안정성에 영향을 미치는 매우 부적절한 op-amp (매우 높은 주파수 가능)가있는 경우에만 20K만으로 문제가 발생합니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

OP AMP의 P / N과 회로도의 다이오드는 아무 의미가 없습니다. 다이오드 D3 D4는 하나의 BAV199 또는 jFET MMBF4117의 2 개의 게이트 대 채널 접합입니다. OA1은 OPA365입니다. C3, R1 / 2의 필터에 충분히 낮은 통과 주파수를 제공하려면 C3을 선택해야합니다.

R2 및 R3은 정밀한 박막 저항기 또는 하나의 저항기 네트워크의 두 부분 인 것이 바람직하다. 그들은 당신의 제로 드리프트를 정의합니다.

R5는 1kV 전압 정격이어야하며 여러 개의 0603 저항을 직렬로 사용할 수 있습니다.

또한 실제로 안전을 위해 OPA365의 비 반전 입력과 R1 R2의 중간 지점 사이에 1kΩ 저항을 추가 할 수 있습니다. 실제로 무언가가 나빠지면 입력 전류를 제한하는 데 도움이됩니다.

고전압 전압 리미터 (TVS 다이오드 또는 바리스터와 같은)는 INPUT과 GND 사이에 연결하는 것이 바람직합니다. 전압은 약 600-800V입니다.

어떤 OPA를 사용하십니까? FET 입력 OP AMP (100 pA 미만의 입력 전류) 인 경우 R3 C2가 필요하지 않습니다. 또한 DC 오프셋에 신경 쓰지 않으면 R3 C2를 제거하는 것이 훨씬 좋습니다.

TVS 다이오드 30V에는 아무런 가치가 없습니다. @Autistic에 동의합니다. 입력 (R1 이전)에 바로 병렬로 놓고 500-700 V 유형으로 변경할 수 있습니다. 그 기능은 R1과 다른 전자 장치를 800V가 넘는 짧은 스파이크로부터 보호하는 것입니다 (응용 프로그램이 이러한 종류의 문제를 일으킬 수 있는지 여부는 알 수 없음).

R1은 1000V 정격이거나 절연 간격을 고려하여 일련의 0603 이상의 저항으로 구현해야합니다.

"실제"클램프의 경우 : 사전 바이어스 된 BAV199 (SOT 패키지 하나에 2 개의 저 누설 다이오드)의 @Spehro Pefhany의 아이디어가 가장 좋습니다. 전원 레일의 전류에 대해서는 너무 신경 쓰지 않을 것입니다. 레일은 4mA (800V / 200kOhms)로 제한되어 있으며 사용하는 OPAMP 하나의 전원 공급 전류보다 적을 수 있습니다.

C1 앞에 R2 (전압 분배기라고 생각)를 넣고 R2 대신에 매우 큰 저항 (1 MOhm)을 사용하지 않는 이유-C1이 uF만큼 작을 수 있습니다.