設(shè)計說明

儀表放大器針對低噪聲、低失調(diào)電壓、低漂移、高 CMRR 和高精度進行了優(yōu)化，但這些儀表放大器可能無法驅(qū)動精密 ADC，以在 ADC 采集期間正確地使信號穩(wěn)定。該設(shè)計將展示寬帶寬緩沖器 (OPA827) 如何與儀表放大器結(jié)合使用，以在較高的采樣速率下實現(xiàn)良好的穩(wěn)定。這個具有緩沖器的 INA828 儀表放大器驅(qū)動 ADS8568 SAR ADC，以實現(xiàn)可能具有較寬共模電壓范圍的高電壓全差分信號或高達 ±10V 的雙極單端信號的數(shù)據(jù)捕獲。相關(guān)的電路指導(dǎo)手冊（采用儀表放大器驅(qū)動高電壓 SAR ADC）中介紹了一種不采用寬帶寬緩沖器的簡化方法，與本文檔中的緩沖式設(shè)計相比，該簡化方法具有有限的采樣速率。該電路實施適用于需要精密信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工業(yè)運輸 和模擬輸入模塊。

規(guī)格

設(shè)計說明

1. 儀表放大器的帶寬通常不足以以較高的數(shù)據(jù)速率驅(qū)動 SAR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，因此需要使用寬帶寬驅(qū)動器，因為采用開關(guān)電容器輸入結(jié)構(gòu)的 SAR ADC 具有需要在每次采集期間充滿電的輸入電容器。此設(shè)計中增加了 OPA827 緩沖器，從而使 ADC 能夠以最大采樣速率運行（ADS8568 510kSPS，對于并行接口）。
2. ADS8568 可以接受 ±10V 單端輸入信號。INA828 用于將 ±10V 差分信號轉(zhuǎn)換為 ±10V 單端信號。因此，在該示例中 INA282 具有單位增益，不需要外部增益設(shè)置電阻器 Rg。如果輸入信號范圍較小，從而需要增益，請參閱采用高增益儀表放大器驅(qū)動 ADC 的電路。
3. 使用模擬工程師計算器 檢查放大器的共模范圍。
4. 選擇適合 C₁ 和 C_filt 的 COG 電容器，以便更大程度地減少失真。
5. 高精度實驗室視頻系列介紹了選擇驅(qū)動器放大器以及電荷桶電路 R_filt 和 C_filt 的方法。有關(guān)詳細(xì)信息，請觀看選擇和驗證驅(qū)動器放大器 和 SAR ADC 前端元件選擇簡介 視頻。
6. 設(shè)置運算放大器和儀表放大器之間濾波器的截止頻率，以實現(xiàn)抗混疊并更大程度地降低噪聲。有關(guān)混疊和抗混疊濾波器的更多詳細(xì)信息，請觀看混疊和抗混疊濾波器。

元件選型

1. 根據(jù)差分輸入信號水平和 ADC 滿量程輸入范圍，查找增益。該設(shè)計中的輸入信號是 ±10V 高電壓信號，因此應(yīng)將 INA828 的增益設(shè)置為 1，不需要增益電阻器 (Rg)。
2. 使用模擬工程師計算器 來確定 INA828 是否超出共模范圍。下圖中的共模計算器指示對于 0V 共模輸入，輸出擺幅為 ±14.9V。
   
3. 使用 TINA SPICE 和 SAR ADC 前端元件選擇 中所述的方法來查找 C_filt 和 R_filt 的值。本文檔中所示的 R_filt 和 C_filt 值適用于這些電路；不過，如果您使用其他放大器，則必須使用 TINA SPICE 來確定新值。
4. 根據(jù)您的系統(tǒng)要求（在該示例中為 f_cRC = 15.9kHz）選擇 INA828 和 OPA827 之間的 RC 濾波器。設(shè)置該濾波器的截止頻率，以實現(xiàn)抗混疊并更大程度地降低噪聲。
   

直流傳輸特性

下圖展示了 –12.2V 至 +12.2V 差分輸入的線性輸出響應(yīng)。ADC 的輸入范圍是 ±10V，因此放大器的線性度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所需的范圍。請觀看使用儀表放大器時確定 SAR ADC 的線性范圍，了解有關(guān)該主題的詳細(xì)理論。該 ADC 的滿標(biāo)量程范圍 (FSR) 處于儀表放大器的線性范圍內(nèi)。

交流傳輸特性

該系統(tǒng)的帶寬被仿真為 167kHz，增益為 0dB。OPA827 和 INA828 之間的濾波器將帶寬限制為約 167kHz。

瞬態(tài) ADC 輸入穩(wěn)定仿真 (510kSPS)

之所以使用 OPA827 緩沖器 (22MHz GBW)，是因為它能夠響應(yīng) ADS8568 的電荷反沖產(chǎn)生的快速瞬態(tài)。該運算放大器緩沖器使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) ADS8568 的最大采樣速率 (510kSPS)。以下仿真顯示了使用 INA828 和 OPA827 緩沖器以及 ADS8568 的穩(wěn)定至滿量程直流輸入信號。該類型的仿真表明已正確選擇采樣保持反沖電路，滿足所需的 ?LSB (152μV)。請觀看 SAR ADC 前端元件選擇簡介 培訓(xùn)視頻系列，了解有關(guān)該主題的詳細(xì)理論。

噪聲仿真

該部分概要介紹如何使用簡化的噪聲計算方法進行粗略估算。這些噪聲包括 INA828 和 OPA827 噪聲。請注意，儀表放大器和運算放大器之間的 RC 濾波器會顯著降低總噪聲。將輸出濾波器極點估算為二階濾波器，因為 OPA827 (22MHz) 帶寬限制和電荷桶濾波器截止頻率 (10.2MHz) 接近。

請注意，計算值與仿真值之間匹配良好（計算值 = 47.2μV，仿真值 = 46μV）。有關(guān)放大器噪聲計算的詳細(xì)理論，請參閱TI 高精度實驗室；有關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換噪聲，請參閱計算 ADC 系統(tǒng)的總噪聲。

設(shè)計中采用的器件

主要文件鏈接

德州儀器 (TI)，SBAA286 的源文件，支持軟件