1 简介
本设计展示了一种用于驱动高压 SAR ADC 以实现高压全差分信号数据采集的解决方案。该差分信号可能具有广泛的共模电压范围,具体取决于放大器的电源和输入信号振幅。使用一个通用高压精密放大器来执行差分到单端信号转换,并以最高吞吐量驱动 ±10V 的高压 SAR ADC 单端输入量程。这种类型的应用在终端设备中十分常见,如:多功能继电器、交流模拟输入模块以及铁路运输的控制装置。
2 设计目标
2.1 运放输入
2.2 ADC输入
2.3 数字输出
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2.4 电源
3 规格
规格 | OPA827计算值 | OPA827仿真值 | OPA192计算值 | OPA192仿真值 |
共模输入范围 (Vdif = ±20V) | ±26V | ±26V | ±35V | ±35V |
瞬态 ADC 输入误差 | <1/2LSB(152uV) | 0.002LSB(0.568uV) | <1/2LSB(152uV) | 0.006LSB(1.86uV) |
驱动器的相位裕度 | >45° | 67.1° | >45° | 68.6° |
噪声(ADC 输入端) | 14.128uVrms | 15.88uVrms | 5.699uVrms | 6.44uVrms |
- 根据共模电压、输入摆幅和电源,确定放大器线性范围
- 在此设计电路中,输入信号共模电压可以为 VInputCM 范围内的任意值
- 选择 COG 电容器以最大限度减少失真
- 请使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器,以实现良好的精确度、低增益漂移,并最大限度减少失真
4 设计计算
- 根据差分输入信号水平和 ADC 满量程输入范围,计算增益
- 选择差分增益Rf和Rg标准电阻值
- 计算放大器线性运行的最大和最小输入(即,放大器的共模范围 Vcm_amp)
- 根据放大器输入范围和前面所示的配置,计算最大共模电压范围
以OPA827为例,共模输入可为 ±26V,差分输入为 ±20V计算
- 在本例中,我们需要的带宽约为 10kHz。注意:如果您需要调整带宽,由于闭环带宽影响趋稳,需要核实电荷储能滤波器趋稳(Cfilt 和 Rfilt)
5 噪声计算
本部分展示了全噪声分析,包括电阻噪声。此外,我们还分析了低于fc(噪声增益= 1.5)及高于fc(噪声增益= 1)的噪声。在本例中,噪声主要为宽频放大器噪声,故电阻器的影响不大。但在很多情况下,电阻器噪声也可能很重要,故我们提供了完整的噪声计算方法。
- 反馈回路带宽:
OPA827 电压噪声谱密度:
- 反馈回路(Rf1 和Rg1 )和RC同相输入(Rf2 和Rg2 )的热噪声密度:
- 来自于同相输入电阻器的噪声与来自于反馈电阻器的噪声相同
- 放大器输出的总噪声(增益值):
- 超过fc的噪声由输出滤波器限定(截止值如下所示):
- 施加在ADC 输入端的总噪声:
6 电路仿真
时域仿真:
频域仿真:
噪声仿真: