设计说明

此模拟前端 (AFE) 和 SAR ADC 数据采集解决方案可测量 ±24V 范围（或绝对输入范围 VinP = ±12V，VinN = ±12V）内的真差分电压信号，提供高输入阻抗，支持高达 500ksps 的数据速率，且具有 18 位分辨率。此解决方案采用具有低输入偏置电流的精密 36V 轨到轨放大器来缓冲全差分放大器 (FDA) 的输入。FDA 可使信号衰减并将其转换为 SAR ADC 的差分电压和共模电压范围。您可以调整元件选择 部分的值以允许不同的输入电压电平。

该电路实现用于精确测量可编程自动控制 (PAC)、离散控制系统 (DCS) 和可编程逻辑控制 (PLC) 应用中使用的参数测量单元 (PMU)、精密多功能输入和输出 DAQ 和模拟输入模块 中的真实差分电压。

设计说明

1. 根据线性运行的共模、输出摆幅规格，验证运算放大器（缓冲器）的线性范围。元件选择 部分中介绍了该内容。选择一个具有低输入偏置电流的放大器。
2. 查找 ADC 满量程范围和共模范围规格。元件选择 中介绍了该内容。
3. 根据 FDA 的输入信号幅度、ADC 满量程范围和输出摆幅规格，确定 FDA 所需的衰减。元件选择 部分中介绍了该内容。
4. 选择 COG 电容器以最大限度地减少失真。
5. 使用 0.1% 20ppm/°C 薄膜电阻器或更佳的电阻器，以实现良好的精确度、低增益漂移并最大限度地减少失真。
6. 了解和校准 ADC 系统的失调电压和增益 介绍了误差分析的方法。请查看该链接以了解最大限度减少增益误差、失调电压误差、漂移误差和噪声误差的方法
7. SAR ADC 前端元件选择简介 介绍了选择电荷桶电路 Rfilt 和 Cfilt 的方法。此类元件值取决于放大器带宽、数据转换器采样速率以及数据转换器设计。此处展示的值将能够为本例中的放大器、增益设置和数据转换器提供良好的趋稳和交流性能。如果改动了设计，必须选择其他的 RC 滤波器。请观看高精度实验室 视频，了解如何选择 RC 滤波器以实现最佳的趋稳性能和交流性能。

缓冲放大器和 FDA 的元件选择和设置

1. 验证缓冲放大器线性运行的输入范围：
   
2. 验证缓冲放大器线性运行的输出范围：
   
3. 查找 ADC 满量程输入范围。在该电路中，V_REF = 4.5V：
   
4. 查找所需的 ADC 共模电压：
   
5. 查找 FDA 线性运行的绝对输出电压范围：
   
6. 查找 FDA 线性运行的差分输出电压范围。该电路的一般输出电压公式如下：
   
7. 查找 FDA 差分输入电压范围：
   
8. 查找 FDA 所需的衰减比：
   
9. 查找标准电阻值来设置衰减：
   
10. 查找 C_ƒ（截止频率为 ƒ_c，R_fINA = 1kΩ）：
    

直流传输特性

下图展示了 +24V 至 –24V 差分输入的线性输出响应。

交流传输特性

仿真带宽约为 1.1MHz，增益为 –15.62dB，这是约为 0.166V/V 的线性增益（衰减比为 6.04V/V）。

噪声仿真

注意，计算结果与仿真结果匹配良好。有关该主题的详细理论，请观看计算 ADC 系统的总噪声。

稳定性仿真

在 TINA 中使用以下电路来测量环路增益并使用 TINA 中的交流传输分析来验证相位裕度。电阻器 R_ISO = 10Ω 在反馈环路内用于增大相位裕度。该电路具有 45 度相位裕度。有关该主题的详细理论，请观看 TI 高精度实验室 - 运算放大器：稳定性 4。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了在 OPA197 缓冲器输入设置为 +12V 和 –12V 条件下趋稳至 24V 直流差分输入信号的情况。该类型的仿真表明已正确选择采样保持反冲电路。有关该主题的详细理论，请观看优化 Rfilt 和 Cfilt 值。

设计中采用的器件

主要文件链接

米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，SBAC183 源文件，软件支持