[经验]

全能DAQ ADAQ798x增加单极性输入的增益配置

2018-10-11 10:16:01

2059 ADI 驱动器 adc

tschmitt，ADI应用工程师
正如该系列的博客《为何要配置ADC驱动器？》所说，ADAQ798x集成ADC驱动器的多种常见且有用的配置方案，如何进行设计，以及需要注意什么。本文将讨论如何使用常见的同相配置来让ADAQ798x与小于ADC输入范围（0 V至VREF）的单极性输入源接口。
同相配置
回忆该系列的博客《为何要配置ADC驱动器？》，ADC转换0 V和VREF之间的输入。这意味着ADC驱动器的输出范围也必须是0 V到VREF，系统才能利用ADAQ798x提供的全部216个码。ADAQ798x集成ADC驱动器可提供增益来使幅度较小的信号得到必要的扩大。
这就要用到同相配置。此配置为单极性信号提供增益，提供高输入阻抗，只需增加两个电阻。

很多系统设计师已经知道同相配置的工作原理，但我们将结合ADAQ798x予以讨论，并了解该配置如何影响系统的关键性能参数，包括系统噪声、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)。
首先，给定应用的输入范围和基准电压，如何选择电阻Rf和Rg？ADC驱动器输出端的电压(vAMP_OUT)为：

vAMP_OUT在0 V和VREF之间，Rf和Rg之比很容易根据应用的输入范围(vIN+)进行计算：

算出Rf和Rg之比后，必须选择其具体值。这些电阻的“恰当”值取决于应用，并且必须考虑系统噪声性能与功耗、失真、放大器稳定性的平衡。Rf值越低，则噪声越低，但从ADC驱动器输出端吸取的电流会增大（功耗提高）。使用较大Rf值可限制此功耗，但会增加系统噪声并可能造成不稳定问题。
电阻产生的噪声量与其阻值成正比。较大电阻会贡献较多噪声，并且可能影响系统的本底噪声和交流性能规格（比如SNR）。系统总噪声为电路中各噪声源的和方根，包括电阻、ADC驱动器和ADC本身的噪声：

其中，vn,system为系统有效值本底噪声，vn,ADC driver为ADC驱动器电路的总噪声（包括外部电阻），vn,ADC为ADC本底噪声规格。
ADAQ7980/ADAQ7988数据手册（ http://www.analog.com/cn/product ... erters/precision... ；http://www.analog.com/cn/product ... erters/precision... ）阐述了如何计算vn,ADC driver（参见噪声考虑和信号建立）；对于5 V基准电压，算出vn,ADC为44.4 μVRMS。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》还说明了如何根据系统总噪声计算系统的预期SNR（参见系统噪声分析）。为了简洁起见，我们不会在这里重复那些计算，但会再举一个例子。
我们来考虑这样一种情况：ADAQ7980需要与一个输出范围为0 V至2.5 V的传感器直接接口，采用5 V基准电压。由于传感器的输出幅度等于ADC输入范围的一半，所以ADC驱动器的增益应设置为2。这要求Rf等于Rg，但Rf的选择有一定的灵活性。
首先来看看不同的Rf（和Rg）值对系统本底噪声和相应的预期SNR有何影响：

可以看到，使用较高的Rf和Rg值时，系统噪声会提高，SNR会下降。提高增益也会降低SNR性能，因为它会提高ADC驱动器输入电压噪声和Rg贡献的有效噪声。下面的曲线显示了不同增益下实测的SNR和THD（总谐波失真）结果，Rf = 1 kΩ（输入频率 = 10 kHz）。

不过，选择较小电阻的缺点之一是ADC驱动器需要通过反馈网络输送更多电流（因而功耗增加）。通过Rf和Rg的瞬时电流等于vAMP_OUT除以Rf与Rg之和。此电流会加到系统总功耗上，在低功耗应用中应予以限制。
结语
这种配置的一个优势是其输入阻抗非常大，因为信号源直接连到ADC驱动器的同相节点。这对输出阻抗非常大的信号源特别有用。我们会看到，对于其他配置，情况并非总是如此。
虽然同相配置可提供增益，但也有一些实际限制。首先，正如《模拟对话》文章《精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计》所述，ADC驱动器必须维持一定的大（和小）信号带宽以满足ADC的正向（和反向）建立要求。带宽与闭环增益成反比。系统噪声也会随着增益提高而提高，在某一点时，性能会降低太多，只有进行相当程度的滤波才可行（我们将在本系列后面的文章中讨论）。
另外，对于要求极低失调和增益误差与漂移的应用，务必使用具有适当容差和TCR规格的精密电阻。如可能，应使用指定了各电阻间阻值和TCR的跟踪精度的匹配电阻网络（例如LT5400系列）。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》详细探讨了这一概念。还应注意，ADC驱动器的输入偏置电流会流经Rf和Rg，这会引起系统的电压失调。可在ADC驱动器的同相节点与输入源之间放置一个电阻以抵消此类失调，但应注意，此电阻也会增加系统噪声！（更多信息请参阅技术指南《运算放大器输入偏置电流》。）