一種數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換的實(shí)際案例介紹（二）

第4步：為運(yùn)算放大器找到最大增益并定義搜索條件

有了ADC的輸入電壓范圍將有助于我們?cè)O(shè)計(jì)增益模塊。為了最大化動(dòng)態(tài)范圍，我們需要在給定的輸入信號(hào)和ADC輸入范圍內(nèi)選取盡可能高的增益。這意味著我們可以將該例子中的增益模塊設(shè)計(jì)成具有10倍的增益。

雖然AD7685很容易驅(qū)動(dòng)，但驅(qū)動(dòng)放大器需要滿足某些要求。例如，為保持AD7685的SNR和轉(zhuǎn)換噪聲性能，驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生的噪聲必須盡可能低，但要注意增益模塊可同時(shí)放大信號(hào)和噪聲。若要使得噪聲在增益模塊前后都保持不變，我們需要選擇具有更低噪聲值的放大器和相關(guān)元件。

此外，驅(qū)動(dòng)器的THD性能應(yīng)與AD7685相當(dāng)，并且必須使ADC電容陣列以16位水平(0.0015%)建立滿量程階躍。來自放大器的噪聲可使用外部濾波器進(jìn)一步過濾。

運(yùn)算放大器的輸入端允許多大的噪聲?牢記我們?cè)O(shè)計(jì)的總體解決方案的噪聲密度不超過416 nV/rt-Hz。我們?cè)O(shè)計(jì)的增益模塊應(yīng)具有更低的本底噪聲，系數(shù)為10，因?yàn)槲覀兊脑鲆鏋?0。

這將確保來自放大器的噪聲遠(yuǎn)低于傳感器的本底噪聲。計(jì)算噪聲裕量時(shí)，我們可假設(shè)運(yùn)算放大器輸入端的噪聲大致等于運(yùn)算放大器的總噪聲加上ADC的噪聲。

第5步：找到最佳放大器并設(shè)計(jì)增益模塊

知道了輸入信號(hào)帶寬后，運(yùn)算放大器選型的第一步是選擇一個(gè)具有合理的增益帶寬積(GBWP)的運(yùn)算放大器(GBWP)，并且該放大器可以最小的直流和交流誤差處理該信號(hào)。為得到最佳的增益帶寬積，需要知道信號(hào)帶寬、噪聲增益以及增益誤差。下文給出這些術(shù)語的定義。

一般而言，若想保持增益誤差小于0.1%，推薦選用增益帶寬比輸入信號(hào)帶寬大100倍的放大器。另外，我們需要一個(gè)可快速建立且驅(qū)動(dòng)能力良好的放大器。

注意，我們的噪聲預(yù)算要求運(yùn)算放大器輸入端的總噪聲低于40.8 nV/rt-Hz，而ADC規(guī)定的指標(biāo)為7.9-nV/rt-Hz?？偨Y(jié)運(yùn)算放大器的查找條件如下：UGBW》1MHz、5-V單電源、良好的電壓噪聲、電流噪聲、THD特性、低直流誤差(不降低ADC性能)。

搜索ADC時(shí)采用相似的查找方法，本例我們選出AD8641。AD8641為低功耗、精密JFET輸入放大器，具有極低的輸入偏置電流和軌到軌輸出特性，可在5 V至26 V電源下工作。相關(guān)數(shù)據(jù)在下表中列出。我們可采用表中的元件值對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行同相配置。

所有有源和無源元件都各自產(chǎn)生噪聲，因此選擇不降低性能的元件尤其重要。例如，購買一個(gè)低噪聲運(yùn)算放大器并在其周圍放置大電阻就是一種浪費(fèi)。牢記一個(gè)1 kohm的電阻器可產(chǎn)生4 nV的噪聲。

圖3 完整的解決方案

表1 圖3所示的完整解決方案的元件值

圖5 圖3所示電路的帶寬模擬

如前所述，可考慮在ADC和該增益模塊之間使用一個(gè)RC濾波器，這樣應(yīng)該有助于縮小帶寬并優(yōu)化SNR。

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