ZHCSBX9E December 2013 – November 2015 OPA192 , OPA2192 , OPA4192
PRODUCTION DATA.
9 应用和实现
NOTE
以下 应用 部分的信息不属于 TI 组件规范，TI 不担保其准确性和完整性。TI 的客户应负责确定组件是否适用于其应用。客户应验证并测试其设计是否能够实现，以确保系统功能。
9.1 应用信息
OPAx192 系列提供卓越的直流精度和交流性能。这些器件可以运行在高达 36V 的供电电源，并提供真正的轨至轨输入/输出、超低失调电压、失调电压漂移以及
10MHz 带宽和高容性负载驱动。这些 特性 使 OPAx192 成为一个适用于高压工业应用的强大的高性能运算放大器。
9.2 典型 应用
9.2.1 16 位精度多路复用数据采集系统
Figure 66显示一个 16 位的差分 4 通道多路复用数据采集系统。这在需要低失真和高压差分输入的 工业应用 中是一个典型的示例。电路中使用了 ADS8864，这是一个 16 位的 400 kSPS 逐次逼近式电阻 (SAR) 模数转换器 (ADC)，还使用了一个高精度高压信号调节前端和一个 4 通道差分多路复用器 (mux)。此 TI 高精度设计详细描述了通过使用 OPA192 和 OPA140 来优化精度、高压以及前端驱动电路，并搭配 ADS8864 来实现采集系统卓越的动态性能以及高线性度。
9.2.1.1 设计要求
主要目标是将 16 位 400kSPS 吞吐量的 ADS8864 用于满量程 10kHz 纯正弦波输入，设计一个具有最小失真度的 ±20V 差分 4 通道多路复用数据采集系统。针对这个块设计的设计需求为：
- 系统电源电压： ±15V
- ADC 电源电压：3.3V
- ADC 采样率：400kSPS
- ADC 参考电压 (REFP)：4.096V
- 系统输入信号：峰值振幅为 10V，频率 (fIN) 为 10kHz 的高压差分输入信号应用于多路复用器的每个差分输入。
9.2.1.2 详细设计流程
该精密设计的目的是设计一个优化的高电压多路复用数据采集系统，以实现最高系统线性度和快速的稳定时间。总系统框图如Figure 66所示。该电路是一个多通道数据采集信号链，由输入低通滤波器、多路复用器 (mux)、多路复用器输出缓冲器、衰减 SAR ADC 驱动器、多路复用数字计数器和参考驱动器组成。该体系结构允许使用单个 ADC 对多个通道进行快速采样，从而提供低成本的解决方案。为了尽可能提高精密多路复用数据采集系统的性能，有两个主要设计考虑因素，一个是多路复用器输入模拟前端，一个是高压电平转换 SAR ADC 驱动器设计。但是，只有根据 ADC 性能规范精心设计每个模拟电路块，才能得到 16 位分辨率下的最快稳定性能和最低失真系统。此图包含针对每个单独模拟块的最主要的技术规格。
本设计系统地接近每个模拟电路块，以获得满量程输入级电压的 16 位稳定时间，以及每个输入通道上 10kHz 正弦输入信号的线性度。设计的第一步是了解多路复用器极低阻抗输入滤波器设计的要求。了解此要求有助于决定适当的输入滤波器和选择多路复用器，以满足系统稳定要求。下一个重要步骤是设计衰减模拟前端 (AFE)，用于在保持放大器稳定性的同时，将高压输入信号电平转换为低压 ADC 输入。再下一步是设计一个数字接口，以最小的延迟来切换多路复用输入通道。最后的设计挑战是设计一个高精度参考驱动电路，来提供一个具有低偏移、温漂和噪声的 REEP 参考电压。
9.2.1.3 应用曲线
Figure 67. 多路复用数据采集块的 ADC 16 位线性误差
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有关分步设计程序、电路原理图、物料清单、PCB 文件、模拟结果和测试结果、请参见 TI 精密设计 TIDU181，最低失真度下，16 位 400kSPS 4 通道多路复用高压输入数据采集系统。 |
9.2.2 输入保护的压摆率限制
在阀门或马达控制系统中，电压或电流的突变会导致机械损伤。通过控制驱动电路中的电压给定的压摆率，负载电压会以安全的速度上升和下降。对于对称的压摆率 应用 （正压摆率等于负压摆率），一个额外的运算放大器为一个给定的模拟增益电路提供压摆率控制。OPAx192 独特的输入保护、高输出电流以及压摆率使 OPAx192 成为单双通道电源供电的压摆率控制系统的理想运放。Figure 68显示压摆率限制设计中的 OPA192。
Figure 68. 压摆率限制器使用一个运算放大器
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有关分步设计程序、电路原理图、物料清单、PCB 文件、模拟结果和测试结果，请参见 TI 精密设计 TIDU026，压摆率限制器使用一个运算放大器。 |
9.2.3 精密参考缓冲区
OPAx192 具有 高输出电流驱动能力和低输入失调电压，使该器件成为一个卓越的参考缓冲器，可提供精确的缓冲输出，并且有充足驱动电流用于瞬态变化。对于Figure 69 中所示的 10µF 陶瓷电容器，RISO（一个 37.4Ω 的隔离电阻）可隔离两个反馈路径以实现最佳稳定性。反馈路径 1 通过 RF，直接连接到输出 VOUT 端。反馈路径 2 通过 RFx 和 CF，连接到运算放大器的输出端。所示的对 10uF 负载设计的优化稳定性组件能够对 VOUT 提供 4kHz 的闭环带宽，并且仍然提供 89° 环路增益相位裕量。任何其他负载电容都需要重新计算稳定性组件：RF、RFx 、CF 和 RISO。
Figure 69. 精密参考缓冲区