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看高精度運放如何低功率實現(xiàn)多路復用?

發(fā)布時間:2015-04-08 責任編輯:sherry

【導讀】正確地實現(xiàn)一種多路復用解決方案需要注意幾個細節(jié),特別是假如您希望在通道之間實現(xiàn)快速切換、進行準確的測量和保持低功耗。那么到底要注意哪些細節(jié)呢?且看下文詳細分解。
 
如果要設計一種負責測量多個模擬電壓的系統(tǒng),可以通過把測量結果多路復用為單個輸出信號來簡化下游電路,隨后采用共享組件對原始電壓電平進行串行處理和數(shù)字化。這么做的好處是信號鏈路組件的數(shù)目和尺寸將比采用“按每個通道進行設計”時所需的小得多。正確地實現(xiàn)一種多路復用解決方案需要注意幾個細節(jié),特別是假如您希望在通道之間實現(xiàn)快速切換、進行準確的測量和保持低功耗。
 
快速響應
 
多路復用增加了組合信號的頻率含量,這是因為當每次多工器切換通道,多路轉換信號都將改變數(shù)值。即使輸入信號并沒有快速地變化,多路轉換信號也會快速改變,因此位于多工器之后的任何電路都必須對這些轉換做出快速響應。例如,倘若輸出信號在讀取下一個通道之前未完全穩(wěn)定至目標準確度,則某個給定通道的測量值會取決于前一個通道的數(shù)值,這相當于通道至通道串擾。
 
由于多工器的導通電阻不是零,因此常常需要采用一個運放來緩沖輸出。圖1示出了一款多路轉換的電路,其在MUX之前給每個通道布設一個運放,而在MUX之后則安置一個共享運放。這里我們考慮的是下游共享運放的性能。
多路轉換的系統(tǒng)
圖1:多路轉換的系統(tǒng)。位于輸入端的LT6011緩沖器具有高輸入阻抗。位于MUX之后的LT6020能在MUX改變通道時快速轉換。LT6020特殊的輸入電路可避免在MUX輸入端上出現(xiàn)電壓毛刺
 
具有低功耗的運放之速度往往很慢。特別地,運放的擺率通常與運放的電源電流緊密相關。這是因為可用于給內(nèi)部電容器充電的電流占運放總電源電流的一個固定比例。
 
另一方面,LT6020運放的擺率要比您依據(jù)其低電源電流所預計的高得多。該器件實現(xiàn)這一非凡功能的方法是根據(jù)輸入階躍的大小來調節(jié)擺率,因此大輸入階躍和小輸入階躍的處理速度一樣快。
 
圖2a和2b比較了LT6020和一款具有相似功耗的傳統(tǒng)運放對于瞬態(tài)階躍響應的影響。對于傳統(tǒng)的運放,大信號響應比小信號響應慢得多。然而LT6020對一個10V階躍和一個±200mV階躍的響應一樣干凈。由于具有這種快速轉換和迅速穩(wěn)定至一個新數(shù)值的能力,加上仍然僅吸收100μA的電源電流,因而使得LT6020成為布設在多工器之后的緩沖器之上佳選擇。
對于小的輸出信號,LT6020的運作情況與具有相同功率級別的其他運放相似。響應受增益帶寬的支配
圖2a:對于小的輸出信號,LT6020的運作情況與具有相同功率級別的其他運放相似。響應受增益帶寬的支配。
對于大的輸出信號,與功率級別相似的其他運放相比,LT6020維持了信號保真度。響應受擺率的支配。
圖2b:對于大的輸出信號,與功率級別相似的其他運放相比,LT6020維持了信號保真度。響應受擺率的支配。
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4一旦控制信號(上方掃跡)改變MUX通道,LT6020輸出(下方掃跡)將從前一個通道上的電壓轉換至下一個通道。中間的掃跡顯示的是至多工器的輸入,其幾乎沒有電壓毛刺。
圖3a:一旦控制信號(上方掃跡)改變MUX通道,LT6020輸出(下方掃跡)將從前一個通道上的電壓轉換至下一個通道。中間的掃跡顯示的是至多工器的輸入,其幾乎沒有電壓毛刺。
與圖3a相同的配置,但是在多工器之后布設了一個傳統(tǒng)運放(LT6011)。至多工器之輸入上的信號(中間掃跡)表明:由于有電流流過多工器并進入運放的保護二極管,因此出現(xiàn)了明顯的毛刺。
圖3b:與圖3a相同的配置,但是在多工器之后布設了一個傳統(tǒng)運放(LT6011)。至多工器之輸入上的信號(中間掃跡)表明:由于有電流流過多工器并進入運放的保護二極管,因此出現(xiàn)了明顯的毛刺。
 
避免毛刺
 
即使安放在多工器之后的運放足夠快,但還有另一個重要細節(jié)常常被忽視。大多數(shù)高精度運放都具有跨接在輸入級兩端的內(nèi)部保護二極管,旨在避免給輸入級上敏感的雙極晶體管施加反向偏置。當多工器從一個通道切換至下一個通道時,一個終端上的輸入電壓快速改變,而輸出(因此包括反饋節(jié)點)則尚未改變。這將導致一個大的電流尖峰流過內(nèi)部保護二極管。這個電流來自哪里呢?其一定來自于連接至多工器之輸入的電路。如果該電路為高阻抗,或者速度緩慢,那么此電流尖峰將引起一個電壓毛刺。系統(tǒng)的輸出隨后將試圖跟隨該輸入電壓毛刺,所以直到此電壓毛刺自行化解之后輸出才能準確地穩(wěn)定。
 
LT6020運放提供了一款針對該問題的獨特解決方案。其輸入器件不僅非常準確,而且具備足夠的堅固性以容許超過5V的反向偏置。于是,負責保護輸入的是一對背對背齊納二極管,而不是內(nèi)部保護二極管。因此,對于5V或以下的輸入階躍,不會出現(xiàn)電流尖峰。如圖3a和3b所示,LT6020運放在傳感器的輸出上幾乎未引起電壓毛刺,而傳統(tǒng)的高精度運放(以LT6011為例)則會引起一個大的電壓毛刺。
 
結論
 
把高精度信號正確地多路復用為一個輸出信號需要謹慎地關注細節(jié)。LT6020利用一組獨特的特性簡化了多路復用解決方案的設計。例如,其擺率與處于這種低電源電流水平的其他運放相比要快得多,從而使之能夠對通道變化做出快速響應。另外,其獨特的輸入保護方案還可避免出現(xiàn)電流尖峰,而當采用傳統(tǒng)的高精度運放時,這種電流尖峰將在通道切換期間引起上游干擾。
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