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应用于微处理器系统中仪表与高速放大器的选择
作者:吴康
摘自:亚太资源网

前言
对微处理器系统来说,各类放大器是直接影响数据转换系统精度等指标的输入与输出关键部件(见图01所示),因此了解熟悉有关仪表、高速、比较器及差分等放大器的技术基础与结构及优势将有肋于系统设计人员选择针对特定应用的合适器件。
 [IMGA]http://news.apacsource.com/doc/htm/image/wukang_c1.gif[/IMGA]
1、 仪表放大器

1.1仪表放大器的应用

仪表放大器(IA)能够精确输出提供共模抑制(CMR)的输入信号之间的差异。CMR是关键参数,也是采用此类器件的主要目的。CMR可衡量器件对两个输入所共有的信号进行抑制的能力。

仪表放大器常被用来放大桥接传感器的差分输出以及微小的桥接器输出信号,并同时抑制较大的共模电压。它们能够提供极佳的准确度和性能,而所需的静态电流却非常之小。增益通常是利用外部电阻器来设置的。

在有些应用中,干扰共模信号可能并不明显。实际的接地互连并非完美无缺。有些原本似乎很可靠的单端放大器应用却有可能累积误差。由接地回路内的电流所引起的误差电压与所需的输入信号叠加在一起,并被单端输入放大器所放大。即使阻抗非常低的地也有可能具有来自杂散磁场的感应电压。随着准确度要求的提高,想利用单端输入放大器来设计高精确度的电路变得越来越困难。应对方案便是采用差分输入仪表放大器。图02(d)所示为仪表放大器INA326在精密挢式测量中的应用实例。
  [IMGA]http://news.apacsource.com/doc/htm/image/wukang_c2d.gif[/IMGA]
1.2仪表放大器拓扑结构

仪表放大器(IA)是高输入阻抗、闭环、固定或可调增益组件,可在存在共模误差和噪声的情况下进行低电平信号的放大。目前国内外有多种类型的仪表放大器,包括单电源、低功耗、高速和低噪声型器件。这些仪表放大器既可采用传统的三运算放大器拓扑结构,也可采用成本效益型的双运算放大器拓扑结构。

1.21三运算放大器版本(见图02(a))
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三运算放大器拓扑结构是衡量仪表放大器性能的基准。这些器件提供宽增益范围(低至G=1)且通常能够实现最高的性能水平。在高频条件下,对称反相和同相增益路径可提供更好的共模抑制。有些类型的仪表放大器采用的是能够在高增益条件下保持卓越带宽特性的电流反馈型输入运算放大器。图02(a)为三运算放大器拓扑结构图。

1.22双运算放大器版本(见图02(b))

双运算放大器拓扑结构能够提供更宽的共模电压范围,尤其是在低电压、单电源应用中。它们所拥有的更加简单的内部电路实现了更低的成本、更低的静态电流和更小的封装尺寸。不过,该拓扑结构并不适用于增益低于4(INAl25)或5(所有其他放大器)的场合。图02(b)为双运算放大器拓扑结构图。

1.3仪表放大器技术基础

*电源电压-制造厂商目前己开发出一系列的低压、单电源、轨至轨仪表放大器,以适合各类要求最六动态信号范围的应用。

*增益要求-对于高增益应用,应考虑采用总噪声较低的器件,原因是漂移、输入偏置电流和电压失调均会导致误差。

*共模电压范围-指的是放大器能够正常工作且差分对起差分信号线性放大器作用时的输入电压范围。

*输入偏置电流-在许多应用(尤其是那些检测低电流或传感器阻抗非常高的场合)中可能是一个重要因素。INAll6一般仅要求3fA的输入偏置电流。

*失调电压和漂移-IA通常用于高增益应用,在这种场合,任何放大器误差均被电路增益所放大。除非把Vos和漂移考虑在内,否则它将有可能在总信号中占有很大的比重。双极放大器在限制与失调有关的电压误差以及低源阻抗应用中的漂移方面性能超群。

*电流反馈与电压反馈输入级-合乎那些需要较高的带宽或在各种增益设定值条件下实现更加一致的3dB频响跌落的设计师的要求。与电压反馈型输入级仪表放大器相比,INAl28和INAl29可在高得多的频率上提供3dB的频响跌落,且在G=1和G=10的配置中,当频率基本相同时,都有3dB的频响跌落。
1.4单电源、RRIO、低失调、低漂移仪表放大器INA326,INA327的选用(见图02(c))
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IN326采用新颖独特的内部电路拓扑结构.可提供真正的轨至轨输入。与其他的仪表放大器不同,它能够对低至负电源轨以下20mv、高至正电源轨以上100mv的输入进行线性处理。传统型仪表放大器输入拓扑结构无法提供如此宽广的动态性能。

在大多数仪表放大器中,抑制共模信号的能力都是通过输入放大器CMR与精确匹配电阻器比两者的组合来获得的。INA326将输入电压转换为电流,使得输入放大器能够精确匹配.并在未采用电阻器的情况下对共模输入电压和电源电压偏差加以抑制。图02(c)为INA326功能方块图。

IN326可在桥接器、测压元件、热电偶的低电平换能器放大器、宽动态范围传感器测量、
高分辨率测试系统、衡器、多通道数据采集系统及医疗仪表等方面上应用。

用途如此广泛是由于IN326有以下优点:低失调为100μV(最大值)与低失调漂移为0.4μV/℃(最大值);有卓越的长期稳定性与非常低的1/f噪声;是真正的轨至轨I/O;其输入共模范围为低于负电源轨达20mV,高于正电源轨达100mV;宽输出摆幅在电源轨的10mV以内;电源电压范围,单+2.7V至+5.5V;为低成本;INA327为—40℃至/125℃;为MSOP-8、MSOP-10封装型式。

1.5仪表放大器INA326在精密挢式测量中的应用 见图02(d)所示
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诸如100dB的CMR、0.2%(最大值)的增益误差以及整个温度范围内的低失调电压等规格指标的组合令INA326成为工业环境中的精密仪表和测量的最佳候选方案。轨至轨输出摆幅使得INA326能够在不牺牲动态范围的情况下实现与单电源ADC的连接。

2、高速放大器

运用先进的工艺开发出领先性能的高速信号调节产品-高速放大器,被应用于高速信号通路和模拟-数字驱动电路之中。从广义上说,指的是任何具有至少50MHz带宽和至少100μV/s转换速率的放大器。而当今推出的高速放大器有多种不同的类型和电源电压选项。值此对作分析比较。

2.1不同类型高速放大器的技术基础

*电压反馈型放大器是最为常用的放大器,同时也是大多数模拟信号通路(如增益电路、滤波、电平移位和缓冲等)的基本组件。大多数电压反馈型放大器都具有稳定的单位增益,当然有些放大器通过补偿以提供更宽的带宽、更快的转换速率和更低的噪声。

*电流反馈型放大器是视频或DSL线路驱动器应用或需要极高转换速率的设计中最常见的放大器。

*全差分放大器(FDA)-全差分输入和输出拓扑结构的主要优势在于能够减少偶次谐波,并由此降低总谐波失真。FDA还可以抑制信号中的共模分量,并为负载提供比采用单端放大器时更大的输出摆幅。全差分放大器非常适合于驱动模拟—数字转换器。VCOM引脚用于设置新款ADC所要求的输出共模电压。

*场效应管(FET)输入(或CMOS)放大器具有比标准双极放大器更高的输入阻抗,且更加有助于实现与高阻抗信号源(比如跨阻抗电路中的光电二极管)的连接。

*视频放大器可以有多种不同的使用方式,但通常设置于信号通路中,用于放大、缓冲、滤波或驱动视频输出线路。人们最关心的规格是差分增益和差分相位。电流反馈型放大器因其集高转换速率与卓越的输出驱动(在低静态功耗条件下)于一身而被视频应用所普遍采用。

*固定增益和可变增益型放大器,这些放大器的增益既可以是固定的,也可以是可变的,改变增益的方法有两种,一是利用几个控制引脚进行数字式调整,另一种是利用一个控制电压进行线性调整。固定增益放大器的增益利用增益设定电阻器在内部予以固定。可变增益放大器可以具有不同的增益范围,而且也可以是差分输入和/或输出。

2.2关于各种应用的高速放大器产品选择

2.21采用I2C控制的三通道低功耗视频放大器(见图1)
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THS7303是低功耗单电源三通道集成视频缓冲器。具有用于消除数据转换器镜频干扰的5阶可选滤波器,堪称SDTV视频的理想选择。每个通道均可针对所有的功能进行单独的二线式I2C配置,从而令其拥有与任何视频缓冲应用相适应的灵活性。其图1为THS7303功能方框图。它可作为在机顶盒输出视频缓冲、DVDR/PVR输出缓冲及USB/便携式低功耗视频缓冲之用.之所以有这些缓冲之用,主要由于具备以下之特点:可2:1输入多路复用;2.7V至5V的工作电压;可选5极点低通滤波器,即8.5MHz(480i/576i/NTSC/PAL)、16MHz(480p/576pNGA)、34MHz(720p/1080iNGA/XGA);又可选输入,DC/DC+135mV/AC内部偏压/AC同步脉冲顶箝位;如有必要,可进行+6dB增益十SAG校正;有静噪能力;可采用可选寻址方式的I2C控制;总静态电流为16mA(53mW/3.3V);停机模式中的静态电流为0.1μA;PRO和VICR包括地电位;封装型式为4mmx4mm QFN-20,TSSOP-20。

2.22宽带,低噪声,低失真全差分放大器(见图2)
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THS4509是专为3V和5V数据采集系统而设计的宽带、全差分运算放大器。具有非常低的噪声(1.9nV/√Hz)以及-75dBcHD2和·80dBc HD3HD,(在100MHz频率、2VPP、G=10dB以及1kΩ负载条件下)的极低谐波失真。非常高的转换速率(6600V/μs)和2ns的稳定时间(至1%精度,2V步进)使其成为脉冲应用的理想选择。它虽然是专为6dB的最小增益而设计的,但针对10dB的增益进行了优化。其功能方块图为图2所示.它可以在5V数据采集系统、高线性度ADC放大器、无线通信、医学成像及测试和测量方面应用。其因就在于THS4509具有以下特点:带宽多1900MHz;转换速率为6600V/μs;达到1%精度的稳定时间为2ns;而输入电压噪声仅为1.9nV/√Hz(f>10MHz);噪声系数为17dB;输出为共模控制;其电源电压为3V(±1.5V)5V(±2.5V),功耗电流为37.7mA;有断电功能为0.65mA。

3、比较器

比较器IC是专为比较两个输入电压并提供逻辑状态输出而设计的专用运算放大器,可被视为一位模拟—数字转换器。比较器产品库囊括各种具有不同性能特征,包括快速(纳秒级)响应时间、宽输入电压范围、极低静态电流消耗的产品以及运算放大器与比较器组合式IC。一般来说,在要求高速响应的场合采用比较器。

3.1比较器的技术基础

3.11输出拓扑结构

*开路集电极通过上拉电阻器与逻辑电源相连,并允许比较器与各种逻辑器件系列相连接。

*推挽式操作不需要上拉电阻器。由于输出在轨至轨之间摆动,因此,逻辑电平取决于比较器的电源电压。

3.12响应时间(传播延迟)-要求“近实时”信号响应的应用应考虑采用具有纳秒(ns)级传播延迟的比较器。请注意,随着传播延迟的缩短,供电电流增加。应对自己希望获得的性能与可承受的功耗之间的折衷方案进行评估。TLV349x系列提供了速度/功耗的独特组合,在静态电流仅1μA的条件下实现了5μs的传播延迟。

3.13比较器和运算放大器组合式1C-用于要求在比较器之前实现DC电平移位和/或增益的输入信号,请考虑TLV230x(漏极开路型)或TLV270x(推挽式)运算放大器与比较器的组合。这些双功能器件能够为您节省占用空间和成本。

3.14比较器和电压基准-比较器通常需要与一个基准电压来进行比较。TLV3011是采用空间节省型SC70封装的比较器和电压基准组合式IC。

3.2采用SOT23封装的高速比较器(见图3)
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TLV3011是具有低功耗、漏极开路输出比较器.TLV3012是推挽式输出比较器集成1.242V串联电压基准提供了100ppm/℃(最大值)的低漂移,可在采用高达10nF容性负载的情况下保持稳定.并能提供高达0.5mA(典型值)的输出电流。其图4为用TLV3012作低电池电量电平检测器应用图.TLV3011可在电池电压监视、电源良好指示功能、低信号/电压检测及弛张振荡器等方面上应用.这是它具有以下优势所获得的,即具有内置电压基准的比较器、TLV3011是漏极开路输出、TLV3012是推挽式输出、低静态电流为5uA(最大值)、宽输入共模范围超出电源轨200mV、传播延迟为6μs、集成电压基准为1.242V、1%初始准确度,40ppm/℃漂移、非常低的工作电压为1.8V~5.5V、封装型式为SC-70和SOT23。

4、差分放大器

差分放大器是中等输入阻抗、闭环和固定增益组件,可在有接地回路和噪声的情况下进行信号采集。这些器件能在各种电路应用(精密、通用、音频、低功耗、高速和高共模电压应用)中使用。

4.1差分放大器(见图5(a)功能放块图)
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基本的差分放大器采用一个运算放大器和四个片上精准、激光修整电阻器。例如,INAl32(见图5(a)功能放块图)采用2.7V至36V的工作电源,且消耗电流仅160μA。它具有数值为1的差分增益和高共模抑制比。可通过给Ref引脚施加电压的方法对输出信号进行补偿。输出检测引脚可直接连接至负载,以减小增益误差。由于电阻网络对输入电压进行了分压,因此,差分放大器可在输入信号超过电源电压的情况下正常工作。

4.2高共模电压差分放大器拓扑结构(见图5(b)功能放块图)

由五个电阻器组成的简单差分放大器形成可在非常高的共模电压-远远超出其电源轨-条件下工作的器件。例如,INAll7(见图5(b)功能放块图)能够在采用±15V电源供电而共模电压高达±200V的条件下对差分信号进行检测。当对来自高压电源并流经高压侧并联电阻器的电流进行检测时,这款器件非常有用。

4.3高速,精密型电平转换差分放大器选用(见图6)
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1NAl59是电平转换差分放大器。其作用是实现±10V与工作电压一般为5V的单电源ADC的输入之间的电平转换。INAl59利用数值为0.2的增益以及方便的分压器基准输入完成了这项工作,从而将INAl59的静态输出的偏置简化为用于ADC的最佳点。INAl59具有完善的输出级、卓越的频率响应和高转换速率,所有这些特性都是在不增加缓;中处理的情况下提供高品质ADC驱动所必需的。图6为INA159功能放块图。

INA159之所以能在工业过程控制、仪表、差分至单端转换及音频线路接收器方面获得应用,主要原因在于它有以下特点:具有±10V信号与低电压、单电源ADC之间增益为0.2的接口;其宽带宽为1.5MHz;高转换速率为8V/μs;低失调电压为100μV;低失调漂移为±2μV/℃;而线性度为0.01%FSR(满量程);又为单电源工作电压+2.7V至+5.5V。

5、关于差分放大器与仪表放大器不同场合的采用

*差分放大器在下列场合更胜一筹,即当测量那些共模电压高于电源轨的信号时、当要求低功耗时、当需要采用小型封装时、当源阻抗较低时或当需要低成本的差分放大器时。差分放大器是仪表放大器的标准组件。

*仪表放大器专为在最大共模电压位于电源轨之内的情况下进行低电平差分信号的放大而设计。一般来说,它采用可调增益电路,很适合于单电源应用。三运算放大器拓扑结构能够在增益低至1的条件下很好地工作,并在AC CMR方面具有性能优势。双运算放大器拓扑结构适于需要小封装占位面积和增益大于或等于5的任务。它是低电压、单电源应用的最佳选择。
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