ZHCAEC4A June 2019 – August 2024 ADS8860 , LM7705 , OPA320
| 输入电源 | 输出电源 |
|---|---|
| 3V 至 5.25V | -0.232V |
设计说明
本电路文档介绍了如何使用 LM7705 低噪声负偏置发生器和单个 3V 至 5.25V 电源创建小型负电源 (–0.232V)。–0.232V 电源通常用作单电源放大器的负电源，以便放大器能够摆动至 0V。请注意，放大器无法完全摆动至电源轨，而在接近负电源轨时会出现失真和削波。例如，基于 OPA320 器件并采用最坏情况下的规格时，它可能从距离负电源 20mV 处发生削波，并且可能在距离负电源 100mV 时变为非线性。如果负电源为地电平，放大器输出可能会在低于 100mV 时出现失真，并且很可能在低于 20mV 时发生削波。否则，如果 OPA320 运算放大器的负电源设置为较小的负电压 (–0.232V)，输出将一直保持线性直至地电平。此电路可用于需要单电源放大器摆动至 0V 的任何应用。LM7705 使用开关电容器电压反相器将 3V 至 5V 的正电源轨转换为负电压。相关电路文档使用一个 LDO 为双电源运算放大器电路供电 展示了一个类似的电路。
规格
| 规格 | 测量：负电源 = GND、正电源 = 5.2V、VIN = 5Vpp（满量程信号） | 测量：负电源 = –0.232V、正电源 = 5.2V、VIN = 5Vpp（满量程信号） |
|---|---|---|
| THD (ADS8860 + OPA320) | -93.2dB | –112.5dB（使用 LM7705） |
设计说明
- 本文档中的所有测量结果均使用第一页所示的元件值得出。上表展示了使用和不使用 LM7705 器件时，ADS8860 + OPA320 器件的性能。在该示例配置中，将输入信号特意驱动至非常接近 ADC 的满量程输入范围。
- 该电路使用开关电容反相器通过正输入电源电压生成负电源电压。进行此反相转换会产生电源纹波和噪声。噪声通常很小，对系统性能的影响极小。然而，如果系统具有负电源，则考虑使用 TPS7A39 LDO 来生成 –0.2V 电源。请参阅使用一个 LDO 为双电源运算放大器电路供电，了解详细信息。将 LDO 解决方案 (TPS7A39) 和开关电容反相器 (LM7705) 进行比较，可发现通常 LDO 的噪声最低。在系统没有负电源的情况下，使用开关电容反相器。
元件选型
- 有关元件选型的详细信息，请参阅 LM7705 低噪声负偏置发生器数据表。该电路的一个关键问题是来自 LM7705 器件的时钟馈通噪声。可通过选择较大的电容器来尽可能降低此噪声（请参阅下图）。选择大电容器则需要权衡设计的尺寸、成本和复杂性。
典型放大器的输出与输入
下图展示了当输出接近 0V 时，典型单电源 CMOS 运算放大器的输出摆幅限制。请注意，该放大器在距离负电源轨约 0.1V 处变为非线性。此外，请注意，输出在距离负电源轨 0.25V 处饱和（或削波）。使用一个小型负电源 (-0.232V) 即可消除该问题，并且输出呈现为理想曲线。
负电源轨上的摆幅限制导致削波
下图显示了当正弦波形接近接地时，输出摆幅限制如何使其出现失真或削波。在本示例中，向运算放大器的输入端施加 5Vpp 信号，且负电源连接到 GND 和 –0.232V。正电源连接到 5.2V，因此正电源没有输出摆幅限制。请注意，使用接地负电源的放大器的输出信号在接近接地时出现失真，而使用 –0.232V 负电源的放大器在接近接地时未出现失真。
使用和不使用 LM7705 时测量的失真与相对于电源轨的摆幅
下图展示了使用 –0.232V 负电源 (LM7705) 和接地负电源时，测得的 OPA320 运算放大器（驱动 ADS8860 SAR ADC）的 THD。该曲线显示，使用 0V 负电源时，放大器输出摆动至距离电源轨小于 50mV 时出现失真，而使用 –0.232V 电源时，放大器输出未出现失真。
测得的 FFT 显示 LM7705 开关噪声
以下 FFT 图显示了使用 LM7705 器件生成 –0.232V 电源的情况下，测得的 OPA320 运算放大器（驱动 ADS8860 SAR ADC）的性能。这里的关键点是，在 92kHz 处可以观察到开关电容反相器信号的噪声。该噪声相对较低，并且对器件的 SNR 和 THD 影响很小。
设计参考资料
有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路手册。