CN114355020A - 分流器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分流器，包括第一、第二恒流二极管(D1,D4)、第一、第二稳压二极管(D2,D3)以及第一、第二运算放大器(A1,A2)，第一恒流二极管(D1)、第一稳压二极管(D2)、第二稳压二极管(D3)和第二恒流二极管(D4)依次连接。本发明可以在高精度测量系统中改变高内阻源的输出阻抗，使其变换为低内阻输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种分流器。
背景技术
在分流器的使用过程中，需要在分流器上并联电压测量电路，因此会不可避免的引入负载效应带来的阻抗，从而产生测量误差。根据分流器的对应电阻阻值可知，标称电流100A的分流器的输出电阻为8mΩ，随着分流器阻值的增大，额定电流会相应减小，而在10mA以下的小电流测量中，负载效应更加明显。因此，对标称电流1mA的分流器在设计上尤其要考虑负载效应的影响。
分流器工作电路模型主要分为两类，分别为理想分流器和精确交直流分流器。具体而言，在无负载的情况下，理想的分流器电路模型如图2所示。其中，sh为shunt的简写，ld为导线负载，in为input的简写。分流器的转移函数可表示为：
由于ωL和ωC与R相比相对较小，对于大多数的R和C，加上平方之后的ωRC同样也影响较小，故上式可以转化为：
Z＝R+jω(L-R2C)＝R+jω(Leq)；
此式中的交直流分流器的等效电感为Leq＝L-R2C，在实际应用中，交直流分流器的电感量体现在相位误差上，则根据上式，交直流差和角误差可以用下式表示为：
在实际测量过程中，交直流分流器输出端导线的电感、导线电阻和负载阻抗与分流器的交直流差和角差性能密切相关，则据此得出精确的交直流分流器模型(含负载)如图3所示。该模型与图2所示的模型采用相同的运算方式，则交直流分流器模型的等效电感量可以表示为：
由此可见，若要将分流器的精确模型精简为简单模型，需要使Rin远大于R和Rld，并且要使Rld小于R，或者，使Ci小于Cs。对于小电流分流器，尤其是10mA以下的分流器，当测量电流较小时，取样电阻的阻值往往较大，因此利用交流电压表测量分流器的输出电压时，由于电压表输入阻抗有限，使得电压表输入阻抗带来的测量误差会被放大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分流器。
为实现上述发明目的，本发明提供一种分流器，包括第一、第二恒流二极管、第一、第二稳压二极管以及第一、第二运算放大器，第一恒流二极管、第一稳压二极管、第二稳压二极管和第二恒流二极管依次连接。
根据本发明的一个方面，所述第一恒流二极管的阴极与所述第一稳压二极管的阴极连接，所述第一稳压二极管的阳极与所述第二稳压二极管的阴极连接，所述第二稳压二极管的阳极与所述第二恒流二极管的阳极连接。
根据本发明的一个方面，还包括第一、第二三极管；
第一三极管为NPN型三极管，基极连接在所述第一恒流二极管与所述第一稳压二极管连接的线路上，集电极连接正电源线，发射极连接第二运算放大器的电源正极；
第二三极管为PNP型三极管，基极连接在所述第二稳压二极管与所述第二恒流二极管连接的线路上，集电极连接负电源线，发射极连接第二运算放大器的电源负极。
根据本发明的一个方面，所述第一恒流二极管的阳极和所述第一运算放大器的电源正极均与正电源线连接；
所述第二恒流二极管的阴极和所述第一运算放大器的电源负极均与负电源线连接。
根据本发明的一个方面，第一运算放大器的同相输入端接输入信号，反相输入端与输出端连接；
第一运算放大器的输出端连接在所述第一、第二稳压二极管连接的线路上；
第二运算放大器的同相输入端接输入信号，反相输入端与输出端连接。
根据本发明的一个方面，还包括电阻，所述电阻的一端连接在输入信号线上，另一端接地。
根据本发明的一个方面，所述第一、第二运算放大器为同向比例放大器，反馈增益为1。
根据本发明的构思，对现有的精密交直流分流器进行改进，额外配备有源双级缓冲放大器，从而实现在高精度测量系统中改变高内阻源的输出阻抗，使其变换为低内阻输出。对于分流器的测量，可以降低1mA分流器的输出阻抗，从而减小负载效应对测量误差的影响，实现功率的放大，以提高测量系统精度和系统稳定性。
根据本发明的一个方案，采用复合运放的电路拓扑结构，以提高运放的开环增益，进而降低因开环增益所引起的静态误差。
根据本发明的一个方案，采用自举电路拓扑结构，使得第二级运算放大器的输入端中值电压始终与第一级运算放大器的输入端保持一致,使输入电压与参考电压差约等于零，从而使共模电压和谐波的失真不会引起失调电压变化。
根据本发明的一个方案，使用输入电容较小的器件，具体为选择输入电容较小的运算放大器，运放输入电容需小于20pF。并合理设计PCB布局，如图4所示，从而使PCB导线尽可能短，以减小导线电感。同时，在PCB主电路上增加电场墙(即图4中的等电位环)，可以减小电场和电容，使每个部分电路的电场保持一致，从而减小电路与空间的寄生电容。
附图说明
图1示意性表示本发明一种实施方式的分流器的电路原理图；
图2示意性表示理想分流器(无负载)模型图；
图3示意性表示精确的交直流分流器(含负载)模型图；
图4示意性表示PCB布局设计图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参见图1，本发明的有源双级缓冲精密交直流分流器可应用于宽范围电功率标准及量值传递关键技术研究以及精密交直流转换分流器产品的衍生技术中使用，用于精密交直流电流测量，以校准交直流电流源/表、精密交直流I/V变换器、传感器、互感器、直流分流器等。
本发明的分流器包括第一、第二恒流二极管D1,D4、第一、第二稳压二极管D2,D3以及第一、第二运算放大器A1,A2。其中，第一恒流二极管D1、第一稳压二极管D2、第二稳压二极管D3和第二恒流二极管D4依次连接。具体的，第一恒流二极管D1的阴极与第一稳压二极管D2的阴极连接，第一稳压二极管D2的阳极与第二稳压二极管D3的阴极连接，第二稳压二极管D3的阳极与第二恒流二极管D4的阳极连接。第一恒流二极管D1的阳极和第一运算放大器A1的电源正极均与正电源线连接。第二恒流二极管D4的阴极和第一运算放大器A1的电源负极均与负电源线连接。其中，正电源线和负电源线可形成±15V的电源轨道，而第一恒流二极管D1、第一稳压二极管D2、第二稳压二极管D3和第二恒流二极管D4则可构成正负恒压源电路。
本发明中，考虑到电路的驱动能力有限，因此在分流器中还设置了第一、第二三极管Q1,Q2进行功率放大，从而为第二运算放大器A2提供正负电压源。其中，第一三极管Q1为NPN型三极管，基极连接在第一恒流二极管D1与第一稳压二极管D2连接的线路上，集电极连接正电源线，发射极连接第二运算放大器A2的电源正极；第二三极管Q2为PNP型三极管，基极连接在第二稳压二极管D3与第二恒流二极管D4连接的线路上，集电极连接负电源线，发射极连接第二运算放大器A2的电源负极。
本发明中，第一运算放大器A1的同相输入端接输入信号，反相输入端与输出端连接。第一运算放大器A1的输出端连接在第一、第二稳压二极管D2,D3连接的线路上。第二运算放大器A2的同相输入端接输入信号，反相输入端与输出端连接。其中，第一、第二运算放大器A1,A2为同向比例放大器，反馈增益为1。
本发明的分流器还包括用于阻抗匹配的电阻R1，电阻R1的一端连接在输入信号线上，另一端接地。电阻R1的设置可以在无信号输入时，使输出端保持零电位。并且，由于运放输入端偏置电流与差模信号大小有关，因此加入此电阻后，使得运放的输入阻抗可以在整个幅值和频带范围内保持平缓。
综上所述，本发明的分流器(或称缓冲放大器)采用双级电压跟随器，运用自举电路的拓扑结构进行级联，可以改善精密交直流分流器输入信号与输出信号的交直流差和相位差，输入端阻抗大于10MΩ，输入电容小于20pF，输入输出交直流差@100kHz小于100μV，输入输出相位差@100kHz小于50μrad，输入失调电压小于100μV。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种分流器，其特征在于，包括第一、第二恒流二极管(D1,D4)、第一、第二稳压二极管(D2,D3)以及第一、第二运算放大器(A1,A2)，第一恒流二极管(D1)、第一稳压二极管(D2)、第二稳压二极管(D3)和第二恒流二极管(D4)依次连接。
2.根据权利要求1所述的分流器，其特征在于，所述第一恒流二极管(D1)的阴极与所述第一稳压二极管(D2)的阴极连接，所述第一稳压二极管(D2)的阳极与所述第二稳压二极管(D3)的阴极连接，所述第二稳压二极管(D3)的阳极与所述第二恒流二极管(D4)的阳极连接。
3.根据权利要求1所述的分流器，其特征在于，还包括第一、第二三极管(Q1,Q2)；
第一三极管(Q1)为NPN型三极管，基极连接在所述第一恒流二极管(D1)与所述第一稳压二极管(D2)连接的线路上，集电极连接正电源线，发射极连接第二运算放大器(A2)的电源正极；
第二三极管(Q2)为PNP型三极管，基极连接在所述第二稳压二极管(D3)与所述第二恒流二极管(D4)连接的线路上，集电极连接负电源线，发射极连接第二运算放大器(A2)的电源负极。
4.根据权利要求3所述的分流器，其特征在于，所述第一恒流二极管(D1)的阳极和所述第一运算放大器(A1)的电源正极均与正电源线连接；
所述第二恒流二极管(D4)的阴极和所述第一运算放大器(A1)的电源负极均与负电源线连接。
5.根据权利要求1所述的分流器，其特征在于，第一运算放大器(A1)的同相输入端接输入信号，反相输入端与输出端连接；
第一运算放大器(A1)的输出端连接在所述第一、第二稳压二极管(D2,D3)连接的线路上；
第二运算放大器(A2)的同相输入端接输入信号，反相输入端与输出端连接。
6.根据权利要求1所述的分流器，其特征在于，还包括电阻(R1)，所述电阻(R1)的一端连接在输入信号线上，另一端接地。
7.根据权利要求1所述的分流器，其特征在于，所述第一、第二运算放大器(A1,A2)为同向比例放大器，反馈增益为1。
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|---|---|---|---|---|
| CN116449064A (zh) * | 2023-03-12 | 2023-07-18 | 深圳市开步电子有限公司 | 分流器、用电设备及其储能设备 |
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