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工程师博客分享——全能DAQ ADAQ798x,如何增加单极性输入的增益

EmmaChen 在 2017-9-27 建立的討論區
最後回覆由Vincent CHEN於2017-11-25提供

作者:tschmitt,ADI应用工程师

 

正如该系列的博客《为何要配置ADC驱动器?》所说,ADAQ798x集成ADC驱动器的多种常见且有用的配置方案,如何进行设计,以及需要注意什么。本文将讨论如何使用常见的同相配置来让ADAQ798x与小于ADC输入范围(0 V至VREF)的单极性输入源接口。

 

同相配置

回忆该系列的博客《为何要配置ADC驱动器?》,ADC转换0 V和VREF之间的输入。这意味着ADC驱动器的输出范围也必须是0 V到VREF,系统才能利用ADAQ798x提供的全部216个码。ADAQ798x集成ADC驱动器可提供增益来使幅度较小的信号得到必要的扩大。

 

这就要用到同相配置。此配置为单极性信号提供增益,提供高输入阻抗,只需增加两个电阻。

图片2.png

 

很多系统设计师已经知道同相配置的工作原理,但我们将结合ADAQ798x予以讨论,并了解该配置如何影响系统的关键性能参数,包括系统噪声、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)。

 

首先,给定应用的输入范围和基准电压,如何选择电阻Rf和Rg?ADC驱动器输出端的电压(vAMP_OUT)为:

图片3.png

vAMP_OUT在0 V和VREF之间,Rf和Rg之比很容易根据应用的输入范围(vIN+)进行计算:

图片4.png

 

算出Rf和Rg之比后,必须选择其具体值。这些电阻的“恰当”值取决于应用,并且必须考虑系统噪声性能与功耗、失真、放大器稳定性的平衡。Rf值越低,则噪声越低,但从ADC驱动器输出端吸取的电流会增大(功耗提高)。使用较大Rf值可限制此功耗,但会增加系统噪声并可能造成不稳定问题

 

电阻产生的噪声量与其阻值成正比。较大电阻会贡献较多噪声,并且可能影响系统的本底噪声和交流性能规格(比如SNR)。系统总噪声为电路中各噪声源的和方根,包括电阻、ADC驱动器和ADC本身的噪声:

图片5.png

其中,vn,system为系统有效值本底噪声,vn,ADC driver为ADC驱动器电路的总噪声(包括外部电阻),vn,ADC为ADC本底噪声规格。

 

ADAQ7980/ADAQ7988数据手册(http://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precision-adc-10msps/single-channel-ad-converters/adaq7980.htmlhttp://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precision-adc-10msps/single-channel-ad-converters/adaq7988.html )阐述了如何计算vn,ADC driver(参见噪声考虑和信号建立);对于5 V基准电压,算出vn,ADC为44.4 μVRMS。参考电路《库隔离、2通道、16位、500 kSPS同步采样 信号链,集成数据采集系统》 还说明了如何根据系统总噪声计算系统的预期SNR(参见系统噪声分析)。为了简洁起见,我们不会在这里重复那些计算,但会再举一个例子。

 

我们来考虑这样一种情况:ADAQ7980需要与一个输出范围为0 V至2.5 V的传感器直接接口,采用5 V基准电压。由于传感器的输出幅度等于ADC输入范围的一半,所以ADC驱动器的增益应设置为2。这要求Rf等于Rg,但Rf的选择有一定的灵活性。

 

首先来看看不同的Rf(和Rg)值对系统本底噪声和相应的预期SNR有何影响:

QQ截图20170928110507.png

 

可以看到,使用较高的Rf和Rg值时,系统噪声会提高,SNR会下降。提高增益也会降低SNR性能,因为它会提高ADC驱动器输入电压噪声和Rg贡献的有效噪声。下面的曲线显示了不同增益下实测的SNR和THD(总谐波失真)结果,Rf = 1 kΩ(输入频率 = 10 kHz)。

 

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不过,选择较小电阻的缺点之一是ADC驱动器需要通过反馈网络输送更多电流(因而功耗增加)。通过Rf和Rg的瞬时电流等于vAMP_OUT除以Rf与Rg之和。此电流会加到系统总功耗上,在低功耗应用中应予以限制。

 

 

结语

这种配置的一个优势是其输入阻抗非常大,因为信号源直接连到ADC驱动器的同相节点。这对输出阻抗非常大的信号源特别有用。我们会看到,对于其他配置,情况并非总是如此。

 

虽然同相配置可提供增益,但也有一些实际限制。首先,正如《模拟对话》文章《精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计》所述,ADC驱动器必须维持一定的大(和小)信号带宽以满足ADC的正向(和反向)建立要求。带宽与闭环增益成反比。系统噪声也会随着增益提高而提高,在某一点时,性能会降低太多,只有进行相当程度的滤波才可行(我们将在本系列后面的文章中讨论)。

 

另外,对于要求极低失调和增益误差与漂移的应用,务必使用具有适当容差和TCR规格的精密电阻。如可能,应使用指定了各电阻间阻值和TCR的跟踪精度的匹配电阻网络(例如LT5400系列)。参考电路《库隔离、2通道、16位、500 kSPS同步采样 信号链,集成数据采集系统》 详细探讨了这一概念。还应注意,ADC驱动器的输入偏置电流会流经Rf和Rg,这会引起系统的电压失调。可在ADC驱动器的同相节点与输入源之间放置一个电阻以抵消此类失调,但应注意,此电阻也会增加系统噪声!(更多信息请参阅技术指南《运算放大器输入偏置电流》。)

結果