驅(qū)動(dòng)單極性精密ADC的單/雙通道放大器配置 （一）

傳感器輸出與ADC接口的最常見(jiàn)問(wèn)題之一是：如何讓X V到Y(jié) V的信號(hào)范圍適應(yīng)ADC的輸入范圍。 本文介紹多種不同的配置，其利用單通道或雙通道運(yùn)算放大器來(lái)縮放信號(hào)并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以使單極性ADC的范圍最大。 通常，無(wú)論單端還是差分，單極性ADC的輸入范圍都是從地到VREF電壓。 本文還會(huì)介紹常見(jiàn)全差分放大器(FDA)配置。

對(duì)于給定功率水平，F(xiàn)DA可實(shí)現(xiàn)最佳性能，但合適的FDA并不是總能找到。不過(guò)，單通道和雙通道運(yùn)算放大器的選擇范圍更廣，可用來(lái)構(gòu)建定制前端。 本文旨在介紹不同的配置，討論各種配置的用法和利弊，但并不涉及選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃骷爸苓厽o(wú)源元件等細(xì)節(jié)，因?yàn)楹笳唔氁暰唧w情況而定。

單端/偽差分輸入ADC

單端/偽差分ADC常常是低分辨率或低性能轉(zhuǎn)換器，提供簡(jiǎn)單的低功耗信號(hào)鏈，只有一條信號(hào)路徑。 但是，它并不具備差分輸入的噪聲抑制能力或額外信號(hào)擺幅。

單位增益驅(qū)動(dòng)器

這是一種純粹的ADC驅(qū)動(dòng)功能，無(wú)信號(hào)調(diào)理。 當(dāng)前一級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力不夠時(shí)，它為ADC提供高輸入阻抗。 這種配置的噪聲和功耗最低，因?yàn)闆](méi)有附加電阻。 在單電源應(yīng)用中，信號(hào)擺幅可能會(huì)受輸入或輸出放大器裕量要求的限制。 對(duì)于差分輸入，可利用兩個(gè)單位增益驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)高阻抗輸入，參見(jiàn)CN0307。

同相配置

允許給輸入信號(hào)增加增益。 應(yīng)注意，增加增益引起的放大器帶寬降低并不影響驅(qū)動(dòng)ADC輸入。 這對(duì)所有配置都是如此。 實(shí)例參見(jiàn)CN0042。

帶衰減/增益和電平轉(zhuǎn)換的反相配置(+/-5/10V輸入)

通過(guò)R2/R1衰減，支持輸入電壓范圍超出放大器電源電壓。 這可以用于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)+/-10V IO。 放大器輸入共模電壓由R3/R4分壓器從基準(zhǔn)電壓獲得。 設(shè)置適當(dāng)?shù)腞3/R4比值，以將信號(hào)電平轉(zhuǎn)換到ADC共模電壓Vref/2。 常見(jiàn)比值參見(jiàn)下表。 ADC輸入端出現(xiàn)的信號(hào)反相，這可以通過(guò)數(shù)字方式來(lái)糾正。 實(shí)例參見(jiàn)CN0194/CN0254。

全差分輸入ADC

全差分輸入ADC提供更高的分辨率和性能，但信號(hào)鏈也更為復(fù)雜，功耗會(huì)增加。 差分信號(hào)鏈提供更好的噪聲抑制能力和更大的信號(hào)擺幅(為單端ADC的兩倍)。 多數(shù)差分單極性ADC要求將輸入共模設(shè)置為Vref/2，以使信號(hào)擺幅最大。 這可能需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

單端至差分轉(zhuǎn)換

這是差分ADC需要使用的最常見(jiàn)配置之一，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪菃味诵盘?hào)，或者前一級(jí)是儀表放大器。 以下配置顯示了執(zhí)行單端差分轉(zhuǎn)換的不同方法及其利弊。

高阻抗情況下的單端差分轉(zhuǎn)換

此電路可在需要高輸入阻抗的情況下執(zhí)行單端差分轉(zhuǎn)換，但裕量要求會(huì)提高。 該配置中，R1=R2，R3=R4，Vsig范圍是0-Vref。 將R1連接到Vsig而不是第一個(gè)放大器的輸出端，可以降低噪聲，并使IN+與IN-之間的相位延遲匹配得更好。 其代價(jià)是R1值會(huì)設(shè)置一個(gè)阻性輸入。

單電源情況下的單端差分轉(zhuǎn)換

對(duì)于單電源，可以利用軌到軌輸出(RRO)放大器實(shí)現(xiàn)單端差分轉(zhuǎn)換，對(duì)裕量的影響極小。 其代價(jià)是阻性輸入。 該配置中，R1=R2，R3=R4，R5=R6，輸入范圍是0-Vref。