經(jīng)典電路分享：一個可滿足系統(tǒng)分辨率和12位精度要求的電路

分類：解決方案日期：2010-05-31 00:00:00 來源：德州儀器公司

一般而言，手持式儀表、數(shù)據(jù)記錄器、車載和監(jiān)控系統(tǒng)都要求一種低成本高精度、高系統(tǒng)分辨率的多路復(fù)合系統(tǒng)。可以將這些要求都集成到一個電路中嗎？能夠處理這些多樣性需求的系統(tǒng)，要求一個多路復(fù)用器、增益單元和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

解決這個問題的一種可行方案是一個10通道、可編程放大器(PGA)，它與一個中速12位SAR ADC(請參見圖1)配合工作。該單電源、10通道PGA具有一個軌至軌的輸入/輸出，增益調(diào)節(jié)范圍為1V/V到200V/V。PGA的12nV√Hz @ 10kHz低噪聲性能適合于12位系統(tǒng)。這兩個器件之間的模擬接口包括一個緩沖結(jié)構(gòu)的運算放大器(OPA)以及一個R/C電路。12位ADC是一個帶固有采樣和保持的電容型SAR ADC。該轉(zhuǎn)換器要求R/C電路，其可簡化ADC輸入結(jié)構(gòu)的充電動作。

圖1：這種系統(tǒng)使用一個多路復(fù)用PGA和驅(qū)動12位轉(zhuǎn)換器的運算放大器。

計算得到的PGA噪聲值(參考輸出(RTO))等于10kHz下PGA噪聲密度(12nV/√Hz)乘以PGA閉環(huán)帶寬的平方根乘以√(p/2)。√(p/2)的倍數(shù)說明了PGA帶寬以外頻率區(qū)域的噪聲。之后，所得值再乘以PGA的增益。方程式1使用了16V/V的PGA增益：

PGArms-noise=12nV/√Hz*√(1.6MHz*√/2)*16V/V=0.304mV(rms) 方程式1

轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的ADC噪聲為431mV(rms)，大大低于該5伏系統(tǒng)的1LSB或1.22mV。緩沖放大器的噪聲為39mV(rms)，帶給系統(tǒng)的噪聲極少甚至為零。

PGA、OPA和ADC的組合噪聲為529 mV(rms)，仍然低于12位轉(zhuǎn)換器的1LSB。該值使用一個方和根方程式(即方程式2) 計算得出：

Noise(RTO) = √(PGArms-noise2 +OPArms-noise2 + ADCrms-noise2) 方程式2

PGA為16 V/V增益時該系統(tǒng)的等效12位精度(Equiv12-bit)為0.432LSBs(請參見方程式3)。

Equiv12-bit = (NoiseRTO * 2N)/FSR, {where N = 12 and FSR = 5 V/V} 方程式3

如果我們在1-200 V/V的PGA增益范圍來觀察該系統(tǒng)，我們便會發(fā)現(xiàn)PGA噪聲為電路的主要噪聲。一旦PGA增益超出~125 V/V，該系統(tǒng)便不再符合12位精度標(biāo)準(zhǔn)。然而，這種情況能夠通過縮小系統(tǒng)參考輸入LSB的電壓大小來改善(請參見圖2)。獲得更小LSB的折中方法是降低系統(tǒng)的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB)。