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ZHCAEH8A June 2019 – September 2024 ADS7056 , LMH6642 , LMH6643 , LMH6643Q-Q1 , LMH6644 , OPA192 , OPA2863 , OPA2863A , OPA365 , OPA863 , OPA863A

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商标

输入	ADC 输入	数字输出 ADS7056
VinMin = 0V	AIN_P = 0V，AIN_M = 0V	000_H 或 0₁₀
VinMax = 10V	AIN_P = 3.3V，AIN_M = 0V	FFF_H 或 4096₁₀

电源

Vcc	AVDD	DVDD
12V	3V	1.65V

设计说明

该设计旨在通过衰减输入信号以匹配满量程范围，从而扩大低功耗 SAR ADC 的输入范围。通过调整元件选型部分的值，可实现放大器的不同输入电压范围和 ADC 的满量程范围。该设计中的输入信号首先由 OPA192 高压精密放大器进行缓冲，用于避免信号源阻抗产生增益误差。然后，OPA192 器件输出端的电阻分压器用于衰减信号，然后信号再次由 OPA365 器件进行缓冲。该宽带宽放大器支持在 2.5MSPS 的最大采样速率下使用 ADS7056 器件。此电路方案适用于测试和测量、电器和工厂自动化与控制 应用。一般来说，此电路可用于电压较高的信号需要与低压单端 ADC 连接的大多数应用。

规格

规格	目标值	计算值	仿真值
瞬态 ADC 输入稳定性	< 0.5 × LSB = 91.5µV		16µV
带宽	> 5MHz	8.09MHz	7.04MHz
噪声	< 0.5 × LSB	20.85µV_RMS	22.74µV_RMS

设计说明

输入放大器 (OPA192) 需要 0V 至 10V 的共模范围。由于负电源接地，因此需要使输入摆幅到负电源轨或使用轨到轨放大器。OPA365 器件具有类似的轨到轨要求。
放大器的输出摆幅限制了接近地电平的可用范围。可使用一个小型负电源（如 –0.3V）来提供输出摆幅至地。请参阅使用一个 LDO 为双电源运算放大器电路供电，了解用于生成此电源的电路。
为 Cfilt 选择 C0G 电容器，更大限度减少失真。

元件选型

确定输入缓冲器 OPA192 线性运行的最大和最小输出，然后结合步骤 3 中的增益，计算 OPA192 器件的总线性范围。
- (V–) – 0.1V < V_A < (V+) + 0.1V（来自 OPA192 Vcm 规格）
- (V–) + 0.110V < V_A < (V+) – 0.110V（来自 OPA192 Vout 摆幅规格）
- (V–) + 0.3V < V_A < (V+) – 0.3V（来自 OPA192 Aol 线性区域规格）
- 综合上述限制，总体范围为 (V–) + 0.3 V < V_A < (V+) – 0.3V
- 当 OPA192 电源替换为 (V–) = 0V 和 (V+) = 12V 时，限值为 0.3V < V_A < 11.7V
根据输入信号和 ADC 满量程输入范围确定增益
确定用于提供增益的分压器标准电阻值。使用模拟工程师计算器 查找分压器分压比的标准值。
V_B 的线性范围包括第一步中的范围乘以增益。因此，范围为：0.09V < V_B < 3.51V。
OPA365 线性运行的最大和最小输出：
- (V–) – 0.1V < Vout < (V+) + 0.1V（来自 OPA365 Vcm 规格）
- (V–) + 0.02V < Vout < (V+) – 0.02V（来自 OPA365 Vout 摆幅规格）
- (V–) + 0.1V < Vout < (V+) – 0.1V（来自 OPA365 Aol 线性区域规格）
- 结合上述限制，OPA365 的总体范围为 (V–) + 0.1V < Vout < (V+) – 0.1V
- 当 OPA365 电源替换为 (V–) = 0V 和 (V+) = 3V 时，限值为 0.1V < V_A < 2.9V
结合 OPA192 和 OPA365 的范围：
- ADC 的线性范围是 OPA192 的 V_B 范围（请参阅步骤 4）和 OPA365 的 Vout 范围（请参阅步骤 5）中的最坏情况。
- ADC 范围： 0.1V < Vout≅ < 2.9V
查找可在 2.5MSPS 实现趋稳的 Rfilt 和 Cfilt。请参阅“TI 高精度实验室 - ADC”：优化 Rfilt 和 Cfilt 值 视频，其中介绍了选择 Rfilt 和 Cfilt 的算法。经证实，29.4Ω 和 330pF 的最终值可确保趋稳至远低于最低有效位 (LSB) ½ 的位置。

直流传输特性

下图展示了 0V 至 10V 输入的线性输出响应。该图显示了性能在接近 AVDD 和接地时都有所下降。这是由于元件选型 部分中放大器的线性范围所致。为了提高这些极端条件下的性能，可以调整电源，使两个放大器的线性范围都处于 ADC 的满量程范围内。

交流传输特性

在 –3dB 点，模拟的带宽近似为 7MHz。带宽受限于 OPA192 器件和 RC 电荷桶电路（Rfilt 和 Cfilt）。如以下公式所示，RC 电路的带宽为 8.2MHz。OPA192 器件具有 10MHz 的带宽，这也会影响电路的总体带宽。所选的带宽目标是采样频率的两倍，以便确保能够适当地稳定。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了趋稳至 9V 直流输入信号的情况。这种类型的仿真表明采样保持反冲电路已正确选择到 ½ LSB (91.5µV) 范围内。请参阅 SAR ADC 前端元件选型简介 视频，了解有关此主题的详细理论。

噪声仿真

本部分详细介绍如何使用简化的噪声计算方法进行粗略估算。OPA192 的噪声通过电阻分压器进行衰减，如下所示：

电阻分压器噪声：

OPA365 噪声密度：

总噪声：

注意，计算值与仿真值之间匹配良好。请参阅计算 ADC 系统的总噪声 视频，了解有关此主题的详细理论。

测得的交流结果 (FFT)

该性能是在 ADS7056EVM 的修改版本上以 2kHz 输入正弦波测得的。交流性能显示 SNR = 74.4dB 且 THD = –84.07dB，这与该 ADC 的额定性能（SNR = 74.9dB 且 THD = –85dB）非常匹配。此测试是在室温下进行的。有关此主题的更多详细信息，请参阅频域简介。

参数	数据表规格（典型值）	测量结果
SNR	74.9dB	74.4dB
THD	-85dB	-84.07dB

设计采用的器件和备选器件

器件	主要特性	链接	其他可能的器件
ADS7056	14 位分辨率，SPI，2.5Msps 采样速率，单端输入，AVDD/V_REF 输入范围为 2.35V 至 3.6V，DVDD 为 1.65V 至 3.6V。	具有 SPI 的 14 位 2.5MSPS 超低功耗、超小型 SAR ADC	精密 ADC
OPA192	8kHz 带宽，轨到轨输出，450nA 电源电流，单位增益稳定	高电压、轨到轨输入/输出、5µV、0.2µV/°C、精密运算放大器	运算放大器
OPA365	50MHz 带宽，轨到轨输出，零交叉，低失调电压 100µV，低噪声 4.5nV/√Hz，压摆率 25V/μ s	2.2V、50MHz 低噪声单电源轨到轨运算放大器	运算放大器

主要文件链接

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