Questo divisore di tensione di serraggio per un ingresso ad alta impedenza ha un design buono e robusto?

Ho un ingresso AC come segue:

1. Può variare da ± 10 V ad almeno ± 500 V in modo continuo.
2. Funziona da circa 1 Hz a 1 kHz.
3. Richiede> 100 kΩ di impedenza su di esso, altrimenti la sua ampiezza cambia.
4. Occasionalmente può essere disconnesso e sottoposto il sistema a eventi ESD.

Quando l'ingresso è inferiore a 20 V, devo digitalizzare la forma d'onda con un ADC. Quando è superiore a 20 V, posso ignorarlo come fuori portata, ma il mio sistema non deve essere danneggiato.

Dal momento che il mio ADC ha bisogno di un segnale relativamente rigido, volevo bufferizzare l'ingresso per ulteriori stadi (in quelli, lo polarizzerò, lo fisserò a 0 V a 5 V e lo invierò a un ADC).

Ho progettato il seguente circuito per il mio stadio di ingresso iniziale per ottenere un output sicuro e potente che posso alimentare con ulteriori stadi:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

I miei obiettivi sono:

1. Garantire> 100 kΩ di impedenza sulla sorgente.
2. Modificare un ingresso ± 20 V in circa un'uscita ± 1,66 V.
3. Fornire un output rigido.
4. Gestire in modo sicuro ingressi ad alta tensione continui (almeno ± 500 V).
5. Gestisci gli eventi ESD senza scaricare molta corrente / tensione sui binari da ± 7,5 V.

Ecco la mia logica per la progettazione del mio circuito:

1. R1 e R2 formano un divisore di tensione, riducendo la tensione di 12X.
2. Il diodo TVS reagisce rapidamente per proteggere dagli eventi ESD sull'ingresso, scaricandoli sul mio terreno forte, senza scaricare nulla sulle mie (deboli) guide da ± 7,5 V.
3. Il diodo TVS gestisce anche le sovratensioni estreme (sostenute ± 500 V) mediante derivazione verso terra. È passato R1 per limitare la corrente in questi casi.
4. D1 e D2 bloccano la tensione divisa a ± 8,5 V, quindi non ho bisogno di un condensatore ad alta tensione per C1 ; essendo dopo R1 , anche la corrente che li attraversa è limitata.
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. $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

Questo circuito è ottimale per i miei obiettivi? Posso aspettarmi qualche problema con esso? Ci sono miglioramenti che dovrei fare o c'è un modo migliore per raggiungere i miei obiettivi?

MODIFICA 1

1. Inizialmente avevo detto che questo doveva gestire ± 200 V in modo continuo, ma penso che ± 500 V sia un obiettivo più sicuro.

2. Affinché il diodo TVS funzioni così com'è, R1 deve essere suddiviso in due resistori, qui R1a e R1b , come suggerito da @ jp314 :

^{simula questo circuito}

MODIFICA 2

Ecco un circuito rivisto che incorpora i suggerimenti ricevuti finora:

1. Zeners attraverso l'alimentatore ( @Autistic ).
2. Resistori che vi entrano ( @Spehro Pefhany ).
3. Diodi BAV199 veloci ( @Master ; un'alternativa a bassa perdita al BAV99 che @Spehro Pefhany ha suggerito, sebbene con una capacità massima di circa 2 pF anziché 1,15 pF).
4. Diodo TVS anteriore e aggiornato a 500 V ( @Master ), quindi gestisce solo eventi ESD, proteggendo R1 .
5. Cortocircuito dall'uscita dell'amplificatore operazionale all'ingresso negativo ( @Spehro Pefhany e @Master ).
6. Diminuzione da C1 a 10μF ( @Spehro Pefhany ); questo introduce una caduta di tensione dello 0,3% a 1 Hz che non è buona come l'originale del tappo 220μF, ma faciliterà l'approvvigionamento del condensatore.
7. Aggiunta della resistenza R6 da 1 kΩ per limitare la corrente in OA1 ( @Autistic e @Master ).

^{simula questo circuito}

D1 e D2 eseguiranno i picchi di input, non i TVS: dividere i 220k a 200k + 20k e posizionare la porzione 20k tra TVS e diodi.

O semplicemente usa uno zener 4.7 V da quel nodo a GND.

Non hai bisogno di R3 / C2. L'ingresso dell'amplificatore operazionale non invertente "vede" R2 (20 K) sul percorso CC della corrente di polarizzazione (non 220 K), quindi l'offset sarà probabilmente trascurabile se lo si sostituisce con un corto. Se insisti su R3 / C2, vedi sotto per il calcolo.

Il 220K rappresenta una reattanza capacitiva di 0,7 uF a 1Hz, quindi penso che un condensatore ceramico da 10 uF piccolo e poco costoso (e non perde) andrà bene, aggiungendo, in quadratura, circa il 7%, quindi un effetto totale inferiore allo 0,3% . Tuttavia, potrebbero esserci degli effetti a causa del bloccaggio, quindi è meglio investigare questo a seconda di come esattamente ti aspetti che si comporti . Quando viene bloccato, "vede" i 20k in serie con il morsetto a bassa impedenza, quindi la costante di tempo è 11 volte più breve.

R1 è fondamentale per l'affidabilità - praticamente tutta la tensione viene calata su di essa - deve essere un tipo ad alta tensione, valutato per resistere a qualsiasi transitorio che ti aspetti, soprattutto se questa tensione di ingresso proviene dalla rete che può significare un paio di kV. Vishay VR25 può essere adatto (al piombo). Non lesinare qui. A meno che gli ultimi pochi centesimi siano più importanti dell'affidabilità, non sono un grande fan dell'uso di più resistori ordinari per questo scopo - una parte adeguatamente classificata dovrebbe andare bene a meno che non sia necessario utilizzare due resistori correttamente classificati in serie per una maggiore affidabilità .

Perderei il TVS e prenderei in considerazione il bloccaggio direttamente con uno shunt (come una coppia zener) o diodi di commutazione a bassa capacità come una coppia BAV99 a shunt pre-polarizzati, come Zeners o TL431 (con resistori alle guide di alimentazione). Quest'ultimo avrà una capacità molto inferiore rispetto all'uso diretto degli zener e causerà quindi uno sfasamento minore a 1kHz, se questo è importante per te. La corrente di serraggio è inferiore a 1 mA a 200 V, quindi non è molto faticosa, a condizione che R1 regge contro qualsiasi EMF a cui è soggetta. Entrambe le opzioni che ho suggerito possono facilmente bloccare 100 mA, almeno per un breve periodo.

R3 / C2 non formano davvero un filtro passa basso - R3 e la capacità di ingresso dell'op-amp forma un filtro passa basso, e C2 sarebbe idealmente scelto per essere molto più grande, quindi se la capacità di ingresso è 15pF potresti usare 1nF o qualcosa di simile. Avresti problemi solo con 20K solo se avessi un op-amp selvaggiamente inappropriato (capace di frequenze molto alte) in cui lo spostamento di fase risultante ha influenzato la stabilità, e ovviamente un corto non ha quel problema.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Il codice di OP AMP e diodi su schemi non significano nulla. I diodi D3 D4 sono una giunzione BAV199 o 2 da gate a canale del jFET MMBF4117. OA1 è OPA365. C3 deve essere selezionato per fornire una frequenza di passaggio sufficientemente bassa per il filtro su C3, R1 / 2.

R2 e R3 sono preferibilmente resistori a film sottile precisi o addirittura due parti di una rete di resistori. Definiscono la tua deriva zero.

R5 deve essere valutato per 1 kV di tensione, è possibile utilizzare più resistori 0603 in serie.

E, per essere davvero sicuri, puoi aggiungere una resistenza da 1 kOhm tra l'ingresso non invertente di OPA365 e il punto medio di R1 R2. Aiuta a limitare la corrente di ingresso se qualcosa va davvero male.

Il limitatore di tensione ad alta potenza (come diodo TVS o varistore) è preferibilmente collegato tra INPUT e GND. La sua tensione è di circa 600-800 V.

Che tipo di OPA usi? Se si tratta dell'ingresso FET OP AMP (correnti di ingresso inferiori a 100 pA), non è necessario R3 C2. Inoltre, se non ti interessa l'offset CC, è molto meglio rimuovere R3 C2.

Non vedo alcun valore nel diodo TVS 30 V. Assolutamente d'accordo con @Autistic. Puoi metterlo dritto in parallelo all'ingresso (prima di R1) e passare al tipo 500-700 V. La sua funzione è quindi: proteggere R1 e altri dispositivi elettronici da picchi molto brevi di oltre 800 V (non so se l'applicazione potrebbe causare questo tipo di problemi).

R1 deve essere valutato per 1000 V o implementato come una serie di resistori 0603 o più grandi, tenendo conto degli spazi di isolamento.

Per quanto riguarda il "vero" morsetto: l'idea di @Spehro Pefhany di BAV199 pre-polarizzato (due diodi a bassa perdita in un pacchetto SOT) sembra la migliore. Non mi importerebbe troppo per le correnti di alimentazione: sono limitate di 4 mA (800 V / 200 kOhm), probabilmente è inferiore alla corrente di alimentazione di un OP AMP che usi.

Perché non mettere R2 (credo che sia un divisore di tensione) prima di C1 e usare una resistenza molto grande (1 MOhm) al posto di R2 - questo consente a C1 di essere piccolo quanto pochi uF.