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[導(dǎo)讀]理解運(yùn)放的軌至軌特性。

跟隨器電路:

圖文并茂!一文知曉運(yùn)放的軌至軌特性

前級(jí)采樣電阻上的采樣電壓 VI_AMP_IN 經(jīng) U6 的跟隨作用 VI_AMP_OUT 送至 ADC 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換,
U6 在此處的作用:減輕“負(fù)載效應(yīng)”提高采集精度。
D3,D4 為運(yùn)放的輸入保護(hù)二極管,當(dāng)輸入異常電壓比電源電壓還要高 VF(二極管正向?qū)▔航担┗蛘弑鹊仉娢坏?VF時(shí),二極管將會(huì)導(dǎo)通鉗位。

1、LMV831 的主要特性
? 其一,該運(yùn)放輸入誤差電壓 VOS最大為 1mV,有利于提高整體精度;? 其二,由于采用 CMOS 工藝,輸入偏置電流低至 0.1pA,故不需要在消除偏置電壓上花費(fèi)額外精力;? 其三,輸出驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到 30mA,很適合與 ADC 配合使用;? 其四,該運(yùn)放在 1.8GHz 的頻率下 EMIRR 高達(dá) 120dB,這一特性有利于抵抗板上射頻模塊的干擾;? 其五,軌至軌輸出,在單電源供電條件下非常重要。

2、輸出特性


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從上表可以看出負(fù)載越重,運(yùn)放輸出軌至軌特性越差,但因?yàn)楸敬伟咐\(yùn)放后級(jí)是連接低速 ADC,因此負(fù)載很輕,取表中的 6mV(VOH)和 5mV(VOL)作為典型值即可。
單電源供電條件下,會(huì)將負(fù)載電阻 RL接至 V+/2,實(shí)則是以 V+/2 作為虛擬地。

3、仿真驗(yàn)證
建立仿真電路如下:

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如 Figure 1-2 所示,將 LMV831 搭成放大倍數(shù)為 2 的同相放大器,同時(shí)輸入幅值為 5V,頻率為 10Hz 的三角波(為了能讓輸出飽和),仿真結(jié)果如 Figure 1-3 所示,
顯然,輸出幅度非常接近 LMV831 的供電電壓 4.5V,量得幅值為 4.49V(梯形波形的平臺(tái)部分),波形下端也接近 0V,從而證實(shí)了該運(yùn)放的軌至軌輸出特性。


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4、軌到軌,還有細(xì)節(jié)需要注意:

ADC 的可接受電壓范圍為 0~4.096V,而現(xiàn)在 LMV831 搭成的跟隨器可以支持 0~4.49V 的輸出,似乎萬(wàn)事俱備,若前級(jí)采樣電壓也是 0~4.096V 范圍(即運(yùn)放輸入電壓),整個(gè)電路堪稱完美!然而,直覺告訴我,事情肯定沒這么簡(jiǎn)單。我突然想起當(dāng)初選型時(shí),TI 的運(yùn)放篩選條件下,有一個(gè) Rail-to-Rail選項(xiàng):

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這個(gè)選項(xiàng)從左到右分別為:輸入軌至軌,輸出軌至軌,輸入到正軌,輸入到負(fù)軌——等等,那么 LMV831 是否支持軌至軌輸入?我滿懷期待,然而遺憾的是,LMV831 數(shù)據(jù)手冊(cè)并未提及輸入是否也是軌至軌,進(jìn)一步查閱發(fā)現(xiàn)該運(yùn)放在 3.3V 供電時(shí),共模輸入范圍為-0.1V~2.1V!也就是說(shuō)3.3V供電的時(shí)候,LMV831 是不支持軌至軌輸入的!

5、輸入特性
運(yùn)放的共模輸入范圍與供電電壓密切有關(guān),電壓越高,輸入范圍越大。為了驗(yàn)證 4.5V 供電電壓下的最高不失真輸入電壓,搭建了 Figure 1-4 所示的仿真電路。





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對(duì)該電路執(zhí)行“參數(shù)仿真”,分別測(cè)試供電電壓為 3.3V、3.9V、4.5V 下的輸出電壓,如 Figure 1-5 所示,三角波為輸入波形,3 個(gè)類似等腰梯形的波形為運(yùn)放輸出,其中,暗黃色為 4.5V 供電電壓時(shí)的輸出,綠色對(duì)應(yīng) 3.9V 供電電壓,紫色對(duì)應(yīng) 3.3V 供電電壓,顯而易見:第一,LMV831 并非軌至軌輸入;第二,該運(yùn)放的共模輸入范圍隨供電電壓的提高而擴(kuò)大,在 4.5V 供電電壓下跟隨器(增益為 1)最大輸出電壓約為 3.39V,也即最大輸入電壓為 3.39V。簡(jiǎn)言之,4.5V 供電電壓下,LMV831 的最大共模輸入電壓(不失真)為 3.39V。

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在得知這個(gè)真相之后,一方面將運(yùn)放的供電電壓從 3.3V 提高到 4.5V,提高輸出的范圍,另一方面將采樣電阻值改小,從而讓最大采樣電壓小于 3.39V,從而規(guī)避了改板的風(fēng)險(xiǎn)!

6、實(shí)際驗(yàn)證
實(shí)際產(chǎn)品中用了 91:34 的電阻對(duì)輸入 0~10V 進(jìn)行分壓
,分壓再經(jīng)電壓跟隨器送至 ADC 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換,分別測(cè)量電阻采樣電壓、運(yùn)放輸入端電壓、運(yùn)放輸出端電壓、A/D 轉(zhuǎn)換電壓,繪出 Figure 1-6。

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留意表格 1-2 的數(shù)據(jù),隨著運(yùn)放輸入電壓緩慢接近“閾值”,傳遞誤差急劇增加,當(dāng)輸入電壓為 3.9954V 時(shí),運(yùn)放索性飽和輸出 4.5460V!通過(guò)繪制圖表 Figure 1-6 可以很明顯觀察到這個(gè)現(xiàn)象,從而證實(shí)了猜想。實(shí)際上我的目的也達(dá)到了,因?yàn)槲抑恍枰?0~12V 外部輸入時(shí)線性度滿足 0.2% F.S 就足夠了。

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