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工程师博客分享——全能DAQ ADAQ798x,双极性输入的另一种配置

EmmaChen 在 2017-9-27 建立的討論區
最後回覆由SHANAOQQ於2017-9-29提供

作者:tschmitt,ADI应用工程师

 

该篇我们将讨论差动放大器配置,这是另一种将ADAQ798x与双极性输入信号接口的手段。此配置可用于具有宽输入电压范围和带宽的双极性信号。我们将了解如何针对给定输入范围选择所需的外部元件,以及它们如何影响输入阻抗、噪声和直流误差等其他特性。

 

差动放大器

利用四个外部电阻可将ADC驱动器配置为差动放大器,如下所示:

图片18.png

 

这种配置可以看作是同相和反相配置的叠加;双极性输入信号乘以放大器反相增益,而直流偏置电压(使用VREF,原因已在该系列博客《衰减双极性输入》中讨论)乘以同相增益。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》利用此配置调理来自PGIA (AD8251)的±10 V输出摆幅。此配置的传递函数如下:

图片19.png

 

第一步是找到Rf和Rg的合适比值,它由输入幅度(ΔvIN)和ADC满量程范围(0 V至VREF)之比确定:

图片20.png

 

与我们讨论过的同相配置不同,信号增益可以小于1,所以对于幅度大于VREF的输入信号,我们不需要进行任何修改以衰减信号。值得注意的是,信号从输入端到输出端确实发生反相。

 

R1和R2用于衰减VREF,使得ADC驱动器的输出偏置到ADC中间电平(VREF/2)。R1和R2之比由Rf和Rg之比确定:

图片21.png

 

上式还假设该设计将VREF用作连接到R1的直流输入电压。

 

确定这些比值之后,我们需要选择各电阻的具体值。为避免盲目选择,有几点需要考虑:

 

首先,Rf的值可能影响ADC驱动器的稳定性。如果Rf过大,噪声增益频率响应将会开始峰化,可能变得不稳定(如技术指南《二阶系统的运算放大器总输出噪声计算》所述)。该系列博客《增加单极性输入的增益》中说过,应限制Rf以防发生这种情况。

 

另外,正如我们在该系列博客《衰减双极性输入》中看到的,较大电阻会产生较多系统噪声。这种配置比我们上周讨论的配置更容易发生噪声问题,因为ADC驱动器的噪声增益总是大于1。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 )中的噪声考虑和信号建立部分及参考电路《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》 中的系统噪声分析部分说明了如何量化这种配置的系统噪声。

 

还有一点需要考虑的是电阻对系统失调误差的影响。电阻会与ADC驱动器的输入偏置电流相互作用,在其输出端产生失调误差。随着阻值提高,此效应会愈加突出。根据技术文章《运算放大器输入偏置电流》,为减轻这种效应,R1和R2的并联组合必须等于Rf和Rg的并联组合。

 

考虑一个例子:vIN为±1.25 V,VREF = 5 V。利用上述公式,我们发现Rf须为2×Rg,R1须为5×R2。如果我们要确保输入偏置电流不引起系统失调误差,则R1||R2和Rf||Rg的并联组合也必须相等,R1 = 0.8×Rf。例如,若选择Rf = 2 kΩ,则要求Rg = 1 kΩ,R1 = 1.6 kΩ,R2 = 320 Ω。

 

结语

差动放大器配置能将ADAQ798x与许多不同幅度和频率范围的双极性信号接口,而且设计异常简单。然而,还有几点需要注意。

 

首先,应注意有些应用要求实现高输入阻抗。采用我们已讨论的其他配置,通过提高电阻值(并降低输入带宽以处理额外噪声),可以满足上述要求。但差动放大器配置则很吃力,因为Rf和Rg不能太大,否则会影响ADC驱动器稳定性。该电路的输入阻抗等于反相放大器的输入阻抗:

图片22.png

例如,为实现1 MΩ的输入阻抗,Rg须为1 MΩ,Rf很可能会非常大,以至于ADC驱动器不能正常工作(至少使用常见增益时)。提高系统输入阻抗的唯一实用方法将是在ADC驱动器前方再使用一个信号调理级。

 

 

 

好的一面是,由于这种配置使用较小的电阻,因此不大可能需要额外的滤波来补偿电阻噪声。另外,这让平衡输入偏置电流引起的失调更为可行,因为可以轻松选择R1和R2来平衡Rf和Rg产生的失调。这两个特性使得这种配置与可以实现更高输入阻抗的同相配置相比,可以实现更高的精度和信号带宽。

 

还有一点值得一提,那就是这种配置可以更轻松地用在ADAQ798x负电源接地的单电源应用中。这是因为放大器输入保持在一个恒定直流电压,不用太担心会违反输入共模电压规格(如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 )所示)。

結果