设计说明

示波器 (DSO) 和数据采集 (DAQ) 等信号测量设备必须管理不处于测量模数转换器 (ADC) 输入范围内的输入信号。为了将未知输入信号置于 ADC 的测量范围内，需要执行的第一项操作是偏移控制。提供正偏移和负偏移的可编程偏移控制电路可执行该功能。该电路使用一个精密数模转换器 (DAC)，后跟一个使用运算放大器的单极到双极转换电路。该电路的输出馈送到求和放大器，该放大器将此直流输出添加到输入信号上。

设计说明

1. 选择具有所需分辨率和输出范围的 DAC
2. 选择具有低失调电压和低温漂的运算放大器，以更大限度地减小误差。在某些应用中，热噪声可能是一项额外的要求
3. 选择 R_G1、R_G2 和 R_FB，以满足所需的输出失调电压
4. 选择补偿电容器 C_FB，使其大于运算放大器输入的输入电容

设计步骤

1. 选择 DAC80504 器件：具有 2.5V 内部基准的 16 位、4 通道缓冲电压输出 DAC。具有外部基准选项的器件或具有可访问内部基准电压的器件适用于该应用，因为基准可用于创建偏移。该设计中的 DAC 选择应主要基于导致的直流误差大小，通常可以通过失调误差、增益误差和积分非线性 (INL) 误差对其进行描述。
2. 选择运算放大器，例如 OPA227 运算放大器，该放大器兼有低噪声、宽带宽和高精度，因此非常适合对交流和精密直流性能有严格要求的应用。放大器输入失调电压 (V_OS) 是该设计的关键考虑因素。运算放大器的 V_OS 是典型的数据表规格，但电路内的性能也受漂移过热、共模抑制比 (CMRR) 和电源抑制比 (PSRR) 的影响；因此，也应该考虑这些参数。
3. 可通过以下公式计算失调电压的直流传递函数。
   
   • 首先，使用先前的传递函数，考虑负满标度输出情形，此时 V_DAC 等于 0V，V_REF 等于 2.5V，V_OFFSET 等于 –5V。该情形用于计算 R_FB 与 R_G2 之比，以下公式显示了该情形：
     

     通过该公式可以得出 R_FB = 2 × R_G2。

   • 然后，考虑正满标度输出情形，此时 V_DAC 等于 2.5V，V_REF 等于 2.5V，V_OUT 等于 5V。该情形用于计算 R_FB 与 R_G1 之比，以下公式显示了该情形：
     

     这意味着 R_G1 = R_FB。

   • 最后，选择 R_G2 值，以计算 R_FB 和 R_G1 的理想值。选择 R_G2 值的关键考虑应该为基准源的驱动强度，以及选择小值电阻器来更大限度地减少由电阻器网络引起的噪声。对于该设计，R_G2 选择为 8kΩ，这在标称条件下将从基准源获取的峰值电流限制在大约 312µA。312µA 完全处于 DAC80504 器件的 5mA 限制范围内。通过将 R_G2 的值代入前面的公式，可以计算出 R_G1 和 R_FB 的值，即 R_G1 = R_FB = 16kΩ。

4. 通常，补偿电容器 C_FB 不是由固定的公式进行设置的，而是通过在观察输出小信号阶跃响应的同时选择值来设置的。通过该示例中的仿真，选择 C_FB ≥ 22pF。

图 1-1 直流传输特性

图 1-2 无补偿时的小信号阶跃响应

图 1-3 C_FB = 22pF 时的小信号阶跃响应

设计采用的器件和备选器件