设计说明

本电路文档介绍了如何将高压信号（例如 ±10V）转换为低压 ADC 输入（例如 0V 至 3V）。该电路不需要任何高压电源即可运行，而是使用分压器和电平转换来转换输入信号。该电路显示了 OPA365 和 ADS8860 器件，但该拓扑适用于许多不同的 ADC。此设计可用于需要转换高压输入的各种应用，例如 PLC 模拟输入模块、仪表（实验室、分析、现场和便携式）以及工厂自动化与控制。

规格

设计说明

1. 此电路的共模保持在一个恒定值（在本例中，Vref1 = 1V）。由于共模是恒定的，因此放大器无需轨到轨输入或零交叉失真。有关更多详细信息，请参阅“TI 高精度实验室”中的 使用运算放大器时确定 SAR ADC 的线性范围 视频。
2. 为 Cfilt 选择 C0G 型电容器，以便更大限度地减少失真。
3. 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器以更大限度地减少增益误差和漂移。
4. 此电路的输入阻抗为 Rin = Ri（本例中为 71.5kΩ）。对于高阻抗输入，使用高压放大器缓冲器（例如，Vcc = +15V 和 Vee =–15V）。或者，可以通过将 R_i、R_x 和 R_f 乘以相同的系数来增加输入阻抗。但是，增加所有电阻器上的电阻会影响系统噪声。
5. TI 高精度实验室 - ADC 视频系列介绍了选择电荷桶电路 Cflt 和 Rflt 的方法。请参阅 SAR ADC 前端元件选型简介，了解有关此主题的详细信息。在该示例中，采样速率从 1MSPS 降至 800kSPS，以实现良好的稳定。

元件选型

1. 首先选择放大器输入和输出范围。在该示例中，输入范围为 –10V 至 +10V。放大器输出范围根据 ADC 输入和放大器线性输出范围进行设置。该示例中的 ADC 输入范围由 3V 基准电压设置。放大器电源设置为 3V 以匹配 ADC 输入范围。由于输出摆幅限制（即 OPA365 器件的线性范围为 0.1V < V_OUT < 2.9V），放大器的输出无法摆动到电源轨。还可以进一步调整输出范围，以提供设计裕度。例如，0.2V < V_OUT < 2.8V 可为电源变化等问题提供裕度。
2. 下一步中可以使用模拟工程师计算器 来选择元件值。输入输入和输出电压以及基准电压（–10V < Vin < +10V 和 0.1V < Vout < 2.9V）。可接受的基准电压范围显示在工具底部（本例中为 0.12V 至 1.22V）。在该示例中，基准电压选为 1V。该工具输出了映射电压（R_i = 71.5kΩ、R_x = 27.7kΩ、R_f = 10kΩ）所需的 0.1% 电阻。
   
3. 以下公式显示了反相电平转换拓扑的传递函数。可以使用这些公式而不是计算器来求解不同的元件值。为此，请选择基准值并将 Rf 的值固定为 10kΩ。完成后，求解两个不同输出信号值的 R_i 和 R_x。此问题的代数运算有些复杂，因此建议使用计算器。使用以下公式来验证传递函数：
   

   其中

   • 

     使用计算器中给出的值：

     R_i = 71.5kΩ, R_x = 27.7kΩ, R_f = 10kΩ, V_ref1 = 1.0V
     V_O = –0.1399V × V_IN + 1.5009V
     V_O(–10V) = 2.8995V
     V_O(+10V) = 0.0123V
4. 查找可在 1MSPS 实现稳定的 Rfilt 和 Cfilt。优化 Rfilt 和 Cfilt 值 视频展示了选择 Rfilt 和 Cfilt 的算法。经证实，24.9Ω 和 1.1nF 的最终值可确保稳定至远低于最低有效位 (LSB) ½ 的位置。

直流传输特性

下图所示为 –10V 至 10V 输入的线性输出响应。在这种情况下，对于 –10V 输入，放大器输出约为 2.9V，对于 +10V 输入，放大器输出则约为 0.1V。该设计经过调整，使输出范围距离非线性电源轨具有 0.1V 的安全距离。有关该主题的详细理论信息，请参阅使用仪表放大器确定 SAR ADC 的线性范围 视频。

交流传输特性

带宽受限于 Cf × Rf 滤波器 (f_c1 = 3.39MHz) 和输出滤波器 (f_c1 = 4.92MHz)。这两个极点组合形成一个二阶滤波器，其仿真的截止频率为 2.44MHz。有关该主题的更多详细信息，请观看运算放大器带宽 视频系列。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了稳定至 –10V 直流输入信号的情况。该类型的仿真表明已正确选择采样保持反冲滤波器。有关该主题的详细理论，请参阅最终 SAR ADC 驱动器仿真 视频。注意：在此示例中，放大器存在稳定问题，因此采样速率从 1MSPS 降至 800kSPS。降低采样速率会增加采集周期以改善稳定性能 (t_acq = 1 / f_samp – t_conv = (1/800kSPS) – 710ns = 540ns)。

设计采用的器件和备选器件

主要文件链接

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