具有多工仪表输入和可编程增益、跟踪保持功能的放大器

2009年11月04日 10:11    李宽
关键词: 多工 , 放大器 , 可编程 , 仪表 , 增益
作者:W Stephen Woodward    来源:电子设计技术    日期:2009-08-31

  ADC需要有充足的信号采集模拟接口,才能获得最佳性能。传统的通用ADC前端包括多个差分输入通道,数字可编程增益,以及跟踪与保持功能。本设计实例给出了一个完整的高性能、低元件数的全新ADC前端,实现了整套的标准功能(图1)。不过,它还带有飞跨电容差分输入概念,以及早先一个设计实例所描述的发散指数负时间常数(参考文献1)。本设计实例为该电路增加了多工输入以及一个通用的跟踪保持功能。

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图1:这款高性能、低元件数的ADC前端实现了标准功能组。

  多路器地址与保持模式状态位控制着信号的采集与整形。当保持态为零,多路器地址等于所选的输入通道时,飞跨电容C1连接到正、负差分输入端,用于输入电压的采集。保持态转换为1时将C1与输入端隔离。于是多路器地址为0,保持态返回0,开始对输入电压作负时间常数的指数放大。从这一点,直到再次保持,并且连接的ADC作采样,以及转换输出电压的点,输入电压和输出电压都是时间的发散指数函数,增益等于2(1+t/10μs)。

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图2:只有放大期间时序的分辨率限制着增益设定的精度。

  这个新电路建立在较早设计的基础上,拥有多台仪器差分输入所需要的特性。另外,电阻匹配问题和运放的CMR(共模抑制)都不会限制电路的 CMR。杂散电容是对CMR的一个影响因素,但可以通过电路的精心布局,尽可能减少这一电容。电路亦有轨至轨的输入,以及几乎无限制的可编程增益。此外,增益设置的分辨率只受放大期间的时序分辨率影响(图2和图3)。此电路亦有±10V的输出幅度,比单片数字可编程增益仪表放大器要高出一至三倍。

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图3:这个输入、输出电压增益图给出了跟踪/放大逻辑转换的持续时间。

  所选运放的固有噪声与直流精度、指数时序生成的精度与可重复性、ADC采样分辨率,以及RC时间常数的稳定性等,都是信号处理性能和放大器精度的主要限制因素,如其增益设定精度、直流误差、噪声以及抖动等。在电路中,1 ns的放大期间时序误差或抖动就相当于0.007%的增益设定误差。

参考文献
1. Woodward, W Stephen, “Flying capacitor and negative time constant make digitally programmable-gain instrumentation amplifier,” EDN, Feb 5, 2009, pg 48.
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