一個電路即可滿足系統(tǒng)解析度和12位精度要求

一般而言，手持式儀表、數(shù)據(jù)記錄器、車載和監(jiān)控系統(tǒng)都要求一種低成本高精度、高系統(tǒng)解析度的多路復(fù)合系統(tǒng)。可以將這些要求都集成到一個電路中嗎？能夠處理這些多樣性需求的系統(tǒng)，要求一個多路復(fù)用器、增益單元和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

解決這個問題的一種可行方案是一個 10 通道、可編程放大器 (PGA)，它與一個中速 12 位 SAR ADC（請參見圖 1）配合工作。該單電源、10 通道 PGA 具有一個軌至軌的輸入/輸出，增益調(diào)節(jié)范圍為 1 V/V 到 200 V/V。PGA 的 12 nV?Hz @ 10 kHz 低噪聲性能適合于 12 位系統(tǒng)。這兩個器件之間的模擬接口包括一個緩沖結(jié)構(gòu)的運(yùn)算放大器 (OPA) 以及一個 R/C 電路。12 位 ADC 是一個帶固有采樣和保持的電容型 SAR ADC。該轉(zhuǎn)換器要求 R/C 電路，其可簡化 ADC 輸入結(jié)構(gòu)的充電動作。

圖 1 這種系統(tǒng)使用一個多路復(fù)用 PGA 和驅(qū)動 12 位轉(zhuǎn)換器的運(yùn)算放大器

計(jì)算得到的 PGA 噪聲值（參考輸出 (RTO)）等于 10 kHz 下 PGA 噪聲密度 (12 nV/?Hz) 乘以 PGA 閉環(huán)帶寬的平方根乘以? (p/2)。?(p/2) 的倍數(shù)說明了 PGA 帶寬以外頻率區(qū)域的噪聲。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：

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

轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 ADC 噪聲為 431 mV (rms)，大大低于該 5 伏系統(tǒng)的 1 LSB 或 1.22 mV。緩沖放大器的噪聲為 39 mV (rms)，帶給系統(tǒng)的噪聲極少甚至為零。

PGA、OPA 和 ADC 的組合噪聲為 529 mV (rms)，仍然低于 12 位轉(zhuǎn)換器的 1 LSB。該值使用一個方和根方程式（即方程式 2） 計(jì)算得出：

Noise (RTO) = ? (PGArms-noise2 + OPArms-noise2 + ADCrms-noise2) 方程式 2

PGA 為 16 V/V 增益時(shí)該系統(tǒng)的等效 12 位精度（Equiv12-bit）為 0.432 LSBs（請參見方程式 3）。

Equiv12-bit = (NoiseRTO * 2N)/FSR, {where N = 12 and FSR = 5 V/V} 方程式 3

如果我們在 1-200 V/V 的 PGA 增益范圍來觀察該系統(tǒng)，我們便會發(fā)現(xiàn) PGA 噪聲為電路的主要噪聲。一旦 PGA 增益超出 ~125 V/V，該系統(tǒng)便不再符合 12 位精度標(biāo)準(zhǔn)。然而，這種情況能夠通過縮小系統(tǒng)參考輸入 LSB 的電壓大小來改善（請參見圖 2）。獲得更小 LSB 的折中方法是降低系統(tǒng)的有效轉(zhuǎn)換位數(shù) (ENOB)。

圖 2 系統(tǒng)精度高于 0.01%，且 PGA 增益為 1–125 V/V。

PGA 增益為 125～200 V/V 時(shí)，系統(tǒng)精度高于 0.02%。

圖 1 所示系統(tǒng)可在要求 12 位精度時(shí)提供足夠的 PGA 增益范圍，也可在要求高系統(tǒng)解析度時(shí)提供同樣足夠的增益范圍。