この高インピーダンス入力用のクランプ分圧器は、優れた堅牢な設計ですか？

AC入力は次のとおりです。

1. ±10Vから少なくとも±500Vの範囲で連続的に設定できます。
2. 約1 Hz〜1 kHzで動作します。
3. 100kΩ以上のインピーダンスが必要です。それ以外の場合は、振幅が変化します。
4. 時折切断され、システムがESDイベントにさらされる可能性があります。

入力が20V未満の場合、ADCで波形をデジタル化する必要があります。20Vを超える場合、範囲外として無視できますが、システムを損傷する必要はありません。

ADCには比較的硬い信号が必要なので、入力をさらにステージ用にバッファリングする必要があります（それらでは、バイアスをかけ、0Vから5Vにクランプし、ADCに供給します）。

最初の入力ステージ用に次の回路を設計して、安全で強力な出力を得て、さらに次のステージに送ることができます。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

私の目標は：

1. ソースのインピーダンスが100kΩ以上であることを確認してください。
2. ±20V入力を約±1.66V出力に変更します。
3. 堅い出力を提供します。
4. 連続的な高電圧入力（少なくとも±500V）を安全に処理します。
5. ±7.5Vレールに多くの電流/電圧をダンプせずにESDイベントを処理します。

回路設計の理由は次のとおりです。

1. R1とR2は分圧器を形成し、電圧を12倍に減らします。
2. TVSは、私の（弱い）±7.5Vレールに何をダンプすることなく、私の強い地面にそれらをダンプする、入力のESDイベントから保護するために迅速に反応し、ダイオード。
3. TVSのダイオードはまた、極端な過電圧を処理グランドに短絡することにより（±500Vを維持）。これらの場合に電流を制限するのはR1を過ぎています。
4. D1とD2は分圧電圧を±8.5Vにクランプするため、C1に高電圧コンデンサは必要ありません。R1の後にあるため、それらを流れる電流も制限されます。
5. C1は入力信号を分離します。双極電解になります。1 Hzの信号が影響を受けずに通過できるようにするには、比較的大きな静電容量が必要です。 C1» $$\frac{1}{2 \pi R_2 C_1} \ll 1 \text{ Hz}$$ $$C_1 \gg \frac{1}{2 \pi \times 1 \text{ Hz}\times220 \text{ k}\Omega} = 8 \mu\text{F}$$
6. R3およびC2と、R3 = R1は、入力バイアス電流を補償し、オペアンプ（だけではなく、負の入力に出力を短絡）のオフセット。ローパスフィルターも形成します： $$f_c= \frac{1}{2 \pi R_3 C_2} = 36 \text{ kHz}$$

この回路は私の目標に最適ですか？それに何か問題を期待できますか？改善すべき点はありますか、それとも目標を達成するためのより良い方法はありますか？

編集1

1. もともとこれは±200Vを連続して処理する必要があると言っていましたが、±500Vがより安全なターゲットだと思います。

2. ためにはTVSのであるとして仕事にダイオード、R1は二つの抵抗、ここに分割する必要がありR1aをとR1bとによって示唆されているように、@ jp314：

^{この回路をシミュレートする}

編集2

以下は、これまでに受け取った提案を取り入れた修正回路です。

1. 電源全体のツェナー（@Autistic）。
2. それらに通じる抵抗（@Spehro Pefhany）。
3. 高速BAV199ダイオード（@Master ; @Spehro Pefhanyが提案したBAV99の低リークの代替品ですが、最大静電容量は1.15 pFではなく約2 pFです）。
4. TVSダイオードが前面にあり、500 V（@Master）にアップグレードされているため、ESDイベントのみを処理し、R1を保護します。
5. オペアンプ出力から負入力へのデッドショート（@Spehro Pefhanyおよび@Master）。
6. C1を10μFに減少（@Spehro Pefhany）; これにより、1 Hzで0.3％の電圧降下が発生します。これは、元の220μFのコンデンサほど良好ではありませんが、コンデンサの供給を容易にします。
7. 1kΩ抵抗R6を追加して、OA1への電流を制限しました（@Autisticおよび@Master）。

^{この回路をシミュレートする}

D1とD2は、TVSではなく入力サージを受けます。220kを200k + 20kに分割し、20kの部分をTVSとダイオードの間に配置します。

または、そのノードからGNDに4.7 Vツェナーを使用するだけです。

R3 / C2は必要ありません。非反転オペアンプ入力は、バイアス電流DCパス（220Kではない）でR2（20K）を「見る」ため、オフセットをショートに置き換えた場合、オフセットは無視できる可能性が高くなります。R3 / C2を主張する場合、計算については以下を参照してください。

220Kは1Hzで0.7uFの容量性リアクタンスを表すため、小型で安価な（漏れのない）10uFセラミックコンデンサーで十分で、直角位相で約7％になるため、合計効果は0.3％未満になると思います。ただし、クランプのためにいくつかの影響がある可能性がありますので、動作をどの程度正確に期待するかに応じて、これを調査するのが最善です。クランプすると、低インピーダンスクランプと直列に20kが「見える」ため、時定数は11倍短くなります。

R1は信頼性にとって重要です-実質的にすべての電圧が低下します-特に、この入力電圧が数kVを意味する可能性がある主電源から来ている場合、予想されるあらゆる過渡に耐える定格の高電圧タイプでなければなりません。Vishay VR25が適切な場合があります（有鉛）。ここでけちをしないでください。最後のいくつかのペニーが信頼性よりも重要でない限り、私はこの目的のために複数の通常の抵抗器を使用することの大ファンではありません。適切な定格の部品を2つ直列に使用してさらに信頼性を高める必要がない限り、1つの適切な定格の部品でも大丈夫です。

TVSを失い、シャント（ツェナーペアなど）またはBAV99ペアなどの低容量スイッチングダイオードを、ツェナーやTL431などの事前バイアスシャント（電源レールへの抵抗付き）に直接クランプすることを検討します。後者は、ツェナーを直接使用するよりも容量がはるかに少ないため、重要な場合は1kHzでの位相シフトが少なくなります。クランプ電流は200V入力で1mA未満であるため、R1が対象となるEMFに耐える限り、それほど負担にはなりません。私が提案した両方のオプションは、少なくとも短時間の間、100mAを簡単にクランプできます。

R3 / C2は実際にはローパスフィルターを形成しません。R3とオペアンプの入力容量はローパスフィルターを形成し、C2は理想的にははるかに大きく選択されるため、入力容量が15pFの場合は1nFを使用できます。またはそのようなもの。結果として生じる位相シフトが安定性に影響する、非常に不適切なオペアンプ（非常に高い周波数に対応）があり、もちろんショートにその問題がない場合、20Kのみで問題が発生します。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

OP AMPのP / Nと回路図上のダイオードは何の意味もありません。ダイオードD3 D4は、jFET MMBF4117の1つのBAV199または2つのゲート-チャネル接合です。OA1はOPA365です。C3、R1 / 2のフィルターに十分な低域通過周波数を提供するには、C3を選択する必要があります。

R2とR3は、正確な薄膜抵抗器であるか、1つの抵抗器ネットワークの2つの部分であることが望ましい。彼らはあなたのゼロドリフトを定義します。

R5の定格電圧は1 kVである必要があり、複数の0603抵抗器を直列で使用できます。

そして、本当に安全にするために、OPA365の非反転入力とR1 R2の中間点の間に1kΩの抵抗を追加できます。何かが本当に悪くなった場合、入力電流を制限するのに役立ちます。

高出力電圧リミッタ（TVSダイオードやバリスタなど）は、INPUTとGNDの間に接続することが望ましいです。その電圧は約600-800 Vです。

どのようなOPAを使用していますか？FET入力OP AMP（100 pA未満の入力電流）の場合、R3 C2は必要ありません。また、DCオフセットを気にしない場合は、R3 C2を削除することをお勧めします。

TVSダイオード30 Vには値がありません。@ Autisticに完全に同意します。入力と平行に（R1の前に）まっすぐに置き、500-700 Vタイプに変更できます。その機能は次のとおりです。R1およびその他の電子機器を800 Vを超える非常に短いスパイクから保護することです（アプリケーションがこの種の問題に陥るかどうかはわかりません）。

R1の定格は1000 Vであるか、アイソレーションギャップを考慮して一連の0603以上の抵抗として実装する必要があります。

「実際の」クランプについては、事前バイアスされたBAV199（1つのSOTパッケージに2つの低リークダイオード）の@Spehro Pefhanyのアイデアが最適です。電源レールへの電流についてはあまり気にしません：それらは4 mA（800 V / 200 kOhms）によって制限されており、おそらく使用する1つのオペアンプの電源電流よりも少ないでしょう。

R1（分圧器だと思います）をC1の前に配置し、R2の代わりに非常に大きな抵抗（1 MOhm）を使用しない理由-これにより、C1を数uFにまで小さくできます。