原创 只需一个电路即可满足系统解析度和 12 位精度要求

作者：Bonnie C. Baker，德州仪器(TI) 高级应用工程师

关键字：模拟电路设计、电容、电阻、转换器、ADC、工业应用、医疗电子、运算放大器、系统设计、工程教育、物理验证和分析、信号完整性、设计方法

一般而言，手持式仪表、数据记录器、车载和监控系统都要求一种低成本高精度、高系统解析度的多路复合系统。可以将这些要求都集成到一个电路中吗？能够处理这些多样性需求的系统，要求一个多路复用器、增益单元和一个模数转换器 (ADC)。

解决这个问题的一种可行方案是一个 10 通道、可编程放大器 (PGA)，它与一个中速 12  位 SAR ADC（请参见图  1）配合工作。该单电源、10 通道 PGA 具有一个轨至轨的输入/输出，增益调节范围为 1 V/V 到 200 V/V。PGA 的 12 nV?Hz @ 10 kHz 低噪声性能适合于 12 位系统。这两个器件之间的模拟接口包括一个缓冲结构的运算放大器 (OPA) 以及一个 R/C 电路。12 位 ADC 是一个带固有采样和保持的电容型 SAR ADC。该转换器要求 R/C 电路，其可简化 ADC 输入结构的充电动作。

图 1 这种系统使用一个多路复用 PGA 和驱动 12 位转换器的运算放大器

计算得到的 PGA 噪声值（参考输出 (RTO)）等于 10 kHz 下 PGA 噪声密度 (12 nV/?Hz) 乘以 PGA 闭环带宽的平方根乘以? (p/2)。?(p/2) 的倍数说明了 PGA 带宽以外频率区域的噪声。之后，所得值再乘以 PGA 的增益。方程式 1 使用了 16 V/V 的 PGA 增益：

PGA_rms-noise = 12 nV/?Hz * ? (1.6 MHz * ?/2) * 16 V/V = 0.304 mV (rms) 方程式 1

转换器产生的  ADC  噪声为 431 mV (rms)，大大低于该 5 伏系统的 1 LSB 或 1.22 mV。缓冲放大器的噪声为 39 mV (rms)，带给系统的噪声极少甚至为零。

PGA、OPA 和 ADC 的组合噪声为 529 mV (rms)，仍然低于 12 位转换器的 1 LSB。该值使用一个方和根方程式（即方程式 2） 计算得出：

Noise _(RTO) = ? (PGA_rms-noise²+ OPA_rms-noise² + ADC_rms-noise²)   方程式  2

PGA 为 16 V/V 增益时该系统的等效 12 位精度（Equiv_12-bit）为 0.432 LSBs（请参见方程式 3）。

Equiv_12-bit = (Noise_RTO * 2^N)/FSR, {where N = 12 and FSR = 5 V/V}   方程式 3

如果我们在 1-200 V/V 的 PGA 增益范围来观察该系统，我们便会发现 PGA 噪声为电路的主要噪声。一旦 PGA 增益超出 ~125 V/V，该系统便不再符合 12 位精度标准。然而，这种情况能够通过缩小系统参考输入 LSB 的电压大小来改善（请参见图 2）。获得更小 LSB 的折中方法是降低系统的有效转换位数 (ENOB)。

图 2 系统精度高于 0.01%，且 PGA 增益为 1–125 V/V。

PGA 增益为 125～200 V/V 时，系统精度高于 0.02%。

图 1 所示系统可在要求 12 位精度时提供足够的 PGA 增益范围，也可在要求高系统解析度时提供同样足够的增益范围。