經典電路分享：一個可滿足系統分辨率和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、數據記錄器、車載和監控系統都要求一種低成本高精度、高系統分辨率的多路復合系統。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，要求一個多路復用器、增益單元和一個模數轉換器(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，增益調節范圍為1V/V到200V/V。PGA的12nV√Hz @ 10kHz低噪聲性能適合于12位系統。這兩個器件之間的模擬接口包括一個緩沖結構的運算放大器(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。該轉換器要求R/C電路，其可簡化ADC輸入結構的充電動作。

圖1：這種系統使用一個多路復用PGA和驅動12位轉換器的運算放大器。

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閉環帶寬的平方根乘以√(p/2)。√(p/2)的倍數說明了PGA帶寬以外頻率區域的噪聲。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

轉換器產生的ADC噪聲為431mV(rms)，大大低于該5伏系統的1LSB或1.22mV。緩沖放大器的噪聲為39mV(rms)，帶給系統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，我們便會發現PGA噪聲為電路的主要噪聲。一旦PGA增益超出~125 V/V，該系統便不再符合12位精度標準。然而，這種情況能夠通過縮小系統參考輸入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的有效轉換位數(ENOB)。