ZHCAEH8A June 2019 – September 2024 ADS7056 , LMH6642 , LMH6643 , LMH6643Q-Q1 , LMH6644 , OPA192 , OPA2863 , OPA2863A , OPA365 , OPA863 , OPA863A
| 輸入 | ADC 輸入 | 數(shù)字輸出 ADS7056 |
|---|---|---|
| VinMin = 0V | AIN_P = 0V，AIN_M = 0V | 000H 或 010 |
| VinMax = 10V | AIN_P = 3.3V，AIN_M = 0V | FFFH 或 409610 |
| Vcc | AVDD | DVDD |
|---|---|---|
| 12V | 3V | 1.65V |
設(shè)計(jì)說明
該設(shè)計(jì)旨在通過衰減輸入信號(hào)以匹配滿量程范圍，從而擴(kuò)大低功耗 SAR ADC 的輸入范圍。通過調(diào)整元件選型部分的值，可實(shí)現(xiàn)放大器的不同輸入電壓范圍和 ADC 的滿量程范圍。該設(shè)計(jì)中的輸入信號(hào)首先由 OPA192 高壓精密放大器進(jìn)行緩沖，用于避免信號(hào)源阻抗產(chǎn)生增益誤差。然后，OPA192 器件輸出端的電阻分壓器用于衰減信號(hào)，然后信號(hào)再次由 OPA365 器件進(jìn)行緩沖。該寬帶寬放大器支持在 2.5MSPS 的最大采樣速率下使用 ADS7056 器件。此電路方案適用于測(cè)試和測(cè)量、電器 和工廠自動(dòng)化與控制 應(yīng)用。一般來說，此電路可用于電壓較高的信號(hào)需要與低壓?jiǎn)味?ADC 連接的大多數(shù)應(yīng)用。
規(guī)格
| 規(guī)格 | 目標(biāo)值 | 計(jì)算值 | 仿真值 |
|---|---|---|---|
| 瞬態(tài) ADC 輸入穩(wěn)定性 | < 0.5 × LSB = 91.5μV | 16μV | |
| 帶寬 | > 5MHz | 8.09MHz | 7.04MHz |
| 噪聲 | < 0.5 × LSB | 20.85μVRMS | 22.74μVRMS |
設(shè)計(jì)說明
- 輸入放大器 (OPA192) 需要 0V 至 10V 的共模范圍。由于負(fù)電源接地，因此需要使輸入擺幅到負(fù)電源軌或使用軌到軌放大器。OPA365 器件具有類似的軌到軌要求。
- 放大器的輸出擺幅限制了接近地電平的可用范圍?？墒褂靡粋€(gè)小型負(fù)電源（如 –0.3V）來提供輸出擺幅至地。請(qǐng)參閱使用一個(gè) LDO 為雙電源運(yùn)算放大器電路供電，了解用于生成此電源的電路。
- 為 Cfilt 選擇 C0G 電容器，更大限度減少失真。
元件選型
- 確定輸入緩沖器 OPA192 線性運(yùn)行的最大和最小輸出，然后結(jié)合步驟 3 中的增益，計(jì)算 OPA192 器件的總線性范圍。
- (V–) – 0.1V < VA < (V+) + 0.1V（來自 OPA192 Vcm 規(guī)格）
- (V–) + 0.110V < VA < (V+) – 0.110V（來自 OPA192 Vout 擺幅規(guī)格）
- (V–) + 0.3V < VA < (V+) – 0.3V（來自 OPA192 Aol 線性區(qū)域規(guī)格）
- 綜合上述限制，總體范圍為 (V–) + 0.3 V < VA < (V+) – 0.3V
- 當(dāng) OPA192 電源替換為 (V–) = 0V 和 (V+) = 12V 時(shí)，限值為 0.3V < VA < 11.7V
- 根據(jù)輸入信號(hào)和 ADC 滿量程輸入范圍確定增益
- 確定用于提供增益的分壓器標(biāo)準(zhǔn)電阻值。使用模擬工程師計(jì)算器 查找分壓器分壓比的標(biāo)準(zhǔn)值。
- VB 的線性范圍包括第一步中的范圍乘以增益。因此，范圍為：0.09V < VB < 3.51V。
- OPA365 線性運(yùn)行的最大和最小輸出：
- (V–) – 0.1V < Vout < (V+) + 0.1V（來自 OPA365 Vcm 規(guī)格）
- (V–) + 0.02V < Vout < (V+) – 0.02V（來自 OPA365 Vout 擺幅規(guī)格）
- (V–) + 0.1V < Vout < (V+) – 0.1V（來自 OPA365 Aol 線性區(qū)域規(guī)格）
- 結(jié)合上述限制，OPA365 的總體范圍為 (V–) + 0.1V < Vout < (V+) – 0.1V
- 當(dāng) OPA365 電源替換為 (V–) = 0V 和 (V+) = 3V 時(shí)，限值為 0.1V < VA < 2.9V
- 結(jié)合 OPA192 和 OPA365 的范圍：
- 查找可在 2.5MSPS 實(shí)現(xiàn)趨穩(wěn)的 Rfilt 和 Cfilt。請(qǐng)參閱“TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 - ADC”：優(yōu)化 Rfilt 和 Cfilt 值 視頻，其中介紹了選擇 Rfilt 和 Cfilt 的算法。經(jīng)證實(shí)，29.4Ω 和 330pF 的最終值可確保趨穩(wěn)至遠(yuǎn)低于最低有效位 (LSB) ? 的位置。
直流傳輸特性
下圖展示了 0V 至 10V 輸入的線性輸出響應(yīng)。該圖顯示了性能在接近 AVDD 和接地時(shí)都有所下降。這是由于元件選型 部分中放大器的線性范圍所致。為了提高這些極端條件下的性能，可以調(diào)整電源，使兩個(gè)放大器的線性范圍都處于 ADC 的滿量程范圍內(nèi)。
交流傳輸特性
在 –3dB 點(diǎn)，模擬的帶寬近似為 7MHz。帶寬受限于 OPA192 器件和 RC 電荷桶電路（Rfilt 和 Cfilt）。如以下公式所示，RC 電路的帶寬為 8.2MHz。OPA192 器件具有 10MHz 的帶寬，這也會(huì)影響電路的總體帶寬。所選的帶寬目標(biāo)是采樣頻率的兩倍，以便確保能夠適當(dāng)?shù)胤€(wěn)定。
瞬態(tài) ADC 輸入穩(wěn)定仿真
以下仿真顯示了趨穩(wěn)至 9V 直流輸入信號(hào)的情況。這種類型的仿真表明采樣保持反沖電路已正確選擇到 ? LSB (91.5μV) 范圍內(nèi)。請(qǐng)參閱 SAR ADC 前端元件選型簡(jiǎn)介 視頻，了解有關(guān)此主題的詳細(xì)理論。
噪聲仿真
本部分詳細(xì)介紹如何使用簡(jiǎn)化的噪聲計(jì)算方法進(jìn)行粗略估算。OPA192 的噪聲通過電阻分壓器進(jìn)行衰減，如下所示：
電阻分壓器噪聲：
OPA365 噪聲密度：
總噪聲：
注意，計(jì)算值與仿真值之間匹配良好。請(qǐng)參閱計(jì)算 ADC 系統(tǒng)的總噪聲 視頻，了解有關(guān)此主題的詳細(xì)理論。
測(cè)得的交流結(jié)果 (FFT)
該性能是在 ADS7056EVM 的修改版本上以 2kHz 輸入正弦波測(cè)得的。交流性能顯示 SNR = 74.4dB 且 THD = –84.07dB，這與該 ADC 的額定性能（SNR = 74.9dB 且 THD = –85dB）非常匹配。此測(cè)試是在室溫下進(jìn)行的。有關(guān)此主題的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱頻域簡(jiǎn)介。
| 參數(shù) | 數(shù)據(jù)表規(guī)格（典型值） | 測(cè)量結(jié)果 |
|---|---|---|
| SNR | 74.9dB | 74.4dB |
| THD | -85dB | -84.07dB |
設(shè)計(jì)采用的器件和備選器件
| 器件 | 主要特性 | 鏈接 | 其他可能的器件 |
|---|---|---|---|
| ADS7056 | 14 位分辨率，SPI，2.5Msps 采樣速率，單端輸入，AVDD/VREF 輸入范圍為 2.35V 至 3.6V，DVDD 為 1.65V 至 3.6V。 | 具有 SPI 的 14 位 2.5MSPS 超低功耗、超小型 SAR ADC | 精密 ADC |
| OPA192 | 8kHz 帶寬，軌到軌輸出，450nA 電源電流，單位增益穩(wěn)定 | 高電壓、軌到軌輸入/輸出、5μV、0.2μV/°C、精密運(yùn)算放大器 | 運(yùn)算放大器 |
| OPA365 | 50MHz 帶寬，軌到軌輸出，零交叉，低失調(diào)電壓 100μV，低噪聲 4.5nV/√Hz，壓擺率 25V/μ s | 2.2V、50MHz 低噪聲單電源軌到軌運(yùn)算放大器 |
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