AN-402,AN-402应用笔记One

文件 1
TechnologyWay•
P.O.Box9106•Norwood,MA02062-9106•Tel:781/329-4700•Fax:781/461-3113• 以输入箝位放大器取代输出箝位运算放大器 简介 在超声及成像等各类系统中,模拟信号的电压有时可能突然达到极限值。
而诸如ADC驱动器之类的多种下游电路可以对模拟输入信号电平进行限制,以维持其性能。
在过驱条件下,这类器件可能过度吸取电流,也可能被驱动至饱和状态,从而延长恢复时间。
在这类系统中,可以利用多种箝位放大器来对输出端的信号偏移进行限制,以保护下游器件。
目前,多数箝位放大器都依赖于一种称为输出箝位放大器(OCA)的输出箝位架构。
一种被称为输入箝位放大器(ICA)的新型架构可提供更高的箝位精度和更低的失真。
图1显示了两种器件的相对性能。
可以看出,在线性区,ICA更接近直线,进入箝位区后有所弯曲。
另一方面,OCA在接近箝位电压时,偏离直线的时间更早。
当然,响应更接近直线的程度显示了放大器在该区的线性度。
OUTPUTVOLTAGE–VOUT 1.6 CLAMPREGION 1.4LINEAR EXTENSION 1.2 CLAMP ERROR–25mV AD8036 1.0 CLAMPERROR–>200mVOUTPUTCLAMP AD8036(ICA) NEARCLAMPREGION 0.8 OUTPUTCLAMPAMP CLAMPLEVEL LINEARREGION 0.6 0.60.8 1.01.2 1.4 1.6 1.8 2.0 INPUTVOLTAGE–+VIN 图
1.输出箝位误差与输入箝位误差 目标最大偏移稍宽,以最大限度降低失真。
因此,用ICA取代OCA时,箝位区可以较窄而不增加额外的失真。
这样做可以降低下游电路在过驱过程中的电压。
在多数设计中,进行这样的调节只需要对产生箝位电压的电路略作修改即可。
图2即显示了这种概念。
各类放大器的线性信号幅度都是相同的。
但是,由于近箝位失真区较大,必须将OCA的箝位电平上下限设得稍宽一些,以保持信号的线性度。
因而,在过驱条件下,下游电路在由OCA驱动时,信号将大于ICA驱动的情况。
INPUTCLAMP AMP NEARCLAMPDISTORTION REGION HIGHCLAMPLEVEL MAXLINEARSIGNALREGION LOWCLAMPLEVEL OUTPUTCLAMP AMP NEARCLAMPDISTORTION REGION HIGHCLAMPLEVEL MAXLINEARSIGNAL LOWCLAMPLEVEL 图
2.ICA与OCA的近箝位失真区比较 另外,由于ICA具有更出色的过驱特性,结果将进一步改善过驱响应。
对于低增益箝位级,ICA输出偏移箝位设定电平的值不会超过10mV。
另一方面,OCA的过冲将达几百毫伏,具体取决于过驱信号的大小。
同样,图1显示了这种概念。
显然,ICA在箝位区的性能相对平坦,不受过驱幅度的影响,而OCA输出则随过驱幅度加大而增加。
Rev.0|Page1of4 AN-402 ADI推出的前两款输入箝位放大器AD8036和AD8037采用ICA结构。
但是,由于它们在工作原理方面存在差异,除了工作增益为+1的电路,在设计中以ICA取代OCA并不是“直接”替代即可,尽管两种器件的引脚排列都是相同的。
但是,由于二者的引脚排列相同,一般而言,不需要对电路进行太多修改。
不过,对于每种状况都必须对每种配置单独处理。
下面将详细讨论进行这种替换时需要考虑的因素。
反相工作 需要考虑的第一个因素是运算放大器的工作极性。
AD8036和AD8037的输入箝位运算放大器架构不是反相工作模式。
因此,不能直接用适用于反相配置的ICA取代OCA。
为了在反相应用中发挥出ICA的出色箝位特性,必须采用一个独立的反相级。
图3所示电路中,反相级之后为ICA,即同相配置的AD8036,用于提供反相箝位放大器的整体功能。
图中所示电路的增益为–RF/RI,箝位电压为VH和VL。
有关箝位级的工作原理,将在下节进一步讨论。
在所有箝位电路中,VH必须大于VL,但二者可以为器件输出范围内的任何值。
RF RI2 VIN
6 3 140Ω VH 28 VH
6 3VL VOUT 5AD8036 VL 图
3.反相箝位电路 对于要求增益大于(-)1的电路,设计人员可以选择如何在反相级与箝位级之间分配增益。
为获得最高精度,应降低ICA的工作增益,因为箝位精度是增益的函数,对此下一节将详述。
需要的额外增益可以在反相级中提供。
同相工作单位增益 对于取代同相OCA的情况,最重要的考虑因素是箝位放大器的工作增益,因为ICA的输出箝位电平是放大器闭环增益的函数。
首先需要考虑的是同相单位增益。
对于OCA,箝位电平等于施加于VH(引脚8)和VL(引脚5)的电压。
对于ICA,将这些电压值乘以闭环增益可以算出箝位电平。
但是,由于增 益为+
1,因而ICA和OCA的箝位电平将相等。
因此,可以直接进行替换。
图4为单位增益箝位电路示例。
VCH 0.1µ
F +5V 100Ω VIN
3 8 0.1µ
F VH7 AD8036
6 2 VL4
5 0.1µ
F 0.1µ
F RF300Ω 10µF10µ
F VCL–5V 图
4.单位增益同相箝位 VOUT 由于这里讨论的是同相单位增益,因此,所选的放大器也必须在单位增益下具有稳定的工作性能。
在前面提到的两种ICA中,AD8036针对单位增益进行过补偿。
因此,可以用AD8036直接取代同相单位增益应用中的OCA。
该器件将在相同电平下提供与OCA相同的增益和箝位。
增益为2或大于2当箝位放大器的同相增益等于或大于2时,可以使用带宽较宽的AD8037,因为该器件针对等于或大于2的噪声增益进行过补偿。
然而,要保持箝位电平不变,必须改变施加于箝位引脚的电压,因为箝位电平是放大器闭环增益的函数。
利用以下等式即可算出正确的箝位电压: VCH=G×VHVCL=G×VL 其中:VCH为输出箝位电平上限VCL为输出箝位电平下限G为放大器配置的增益 VH为施加于VH(引脚8)的电压VL为施加于VL(引脚5)的电压 Rev.0|Page2of4 AN-402 一般地,为了使箝位电平维持于采用OCA时的水平,施加于任一箝位引脚的电压应设为箝位电平除以放大器闭环增 益之商。
例如,如果放大器的工作增益为
2,且其箝位电平上限为1V,则施加于VH(引脚8)的电压应为1V/2,即0.5V。
类似地,如果需要将箝位电平下限设为–1V,则施加于VL(引脚5)的电压应为–1V/2,即–0.5V。
图5所示为增益为2的AD8037的箝位级。
VH 0.1µ
F +5V 100Ω
8 0.1µ
F VIN
3 VH7 49.9Ω AD8036
6 2 VL4
5 RG274Ω 0.1µ
F RF274Ω 0.1µ
F 10µ
F VOUT 10µ
F VL–5V 图
5.增益为2的同相箝位 由此可以推断出,箝位电路中的输入失调将随运算放大器级的增益倍数倍增。
为了获得最佳箝位精度,箝位放大器应设为低增益,需要的任何额外增益则于箝位级之前的另一个增益级提供。
现实情况下,对于增益不超过10的箝位级,利用ICA都可以实现优于OCA的精度。
有关近箝位区失真的讨论仍然适用。
箝位窗口必须稍大于最大信号偏移,以尽量减少失真。
ADC将在待转换最大信号电平与最大过驱信号电平之间形成一个区间,在该区间中其指标不会受到影响。
箝位电平即应设在这一区域之内。
失调箝位 有些运算放大器应用需要在输出端提供直流失调电压。
这些一般配置为反相模式,其失调可能由直流电压产生,该电压通过求和电阻相加而得,并作为放大器的额外输入。
由于ICA不支持反相模式箝位,因而这种配置不能箝位。
可以设计同相电路,同时提供增益和失调。
然而,由于用来改变增益和失调的电阻之间存在相互作用,其设计不如反相配置简单。
图6显示了AD8037的一种同相配置,同时提供箝位和失调。
电路所示为AD9002的驱动器,这是一种8位125MSPS模数转换器,图中展示了采用具有失调和箝位功能的AD8037时需要考虑的因素。
AD9002的模拟输入范围为地电压至–2V之间。
输入偏移该范围的值不能太大,以避免吸收过多电流。
在地电压附近,输入具有对称性,其幅度为1Vp-p。
为使AD8037在增益为2的条件下正常工作,我们依据数据手册选用了一个301Ω的反馈电阻。
当增益为2时,R1和R3两个并联电阻必须等于反馈电阻R2。
因此 R1×R3/(R1+R3)=R2=301Ω 用于提供失调的基准器件为AD780,其输出为2.5V。
为了算出R3的值,先假定同相输入端的输入为0V。
这会强制反相输入同样为0V,该值为–1V(与输入中点对应的范围中点),因此,R2中的电流为1V/301Ω或3.32mA。
由于电流不会流入R1或运算放大器的反相输入端,因此,R3中的电流一定相同。
因此 2.5V=(3.32mA)R3或R3=750Ω. 利用以上等式,可计算出R1的值为499Ω。
10µF0.1µ
F +5V 0.1µ
F 100Ω 806Ω+5V VIN+5V –0.5Vto+0.5V49.9Ω AD780 2.5V0.1µ
F R3750Ω R1499Ω 0.1µ
F 100Ω
3 8VH7 AD8037
6 2 VL4
5 R20.1µF301Ω 10µF–2Vto0V 10µ
F 1N5712 49.9Ω CLAMPINGRANGE –2.1Vto+0.1V AD9002 VIN=–2VTO0V SUBSTRATEDIODE 100Ω806Ω –5V0.1µ
F 0.1µ
F –5.2V –5V 图
6.AD8037增益为
2,同相失调;驱动AD9002—8位125MSPS模数转换器 Rev.0|Page3of4 AN-402 需要对信号进行箝位处理,使输出在任一方向上偏移ADC最大输入信号范围的值不超过100mV。
因此,在输出端,高电平箝位应发生于+0.1V,低电平箝位应发生于–2.1V。
由于箝位发生在输入级,因此,输出端的箝位电平不但受电路增益的影响,同时也受失调的影响。
因此,为了取得目标箝位电平,VH必须在+550mV时偏置,VL则须在–550mV时偏置。
电源与地之间两个电阻806Ω和100Ω形成的分压器用于产生箝位电压。
一般地,输出端的箝位电平可用以下等式计算: VCH=VOFF+G×VHVCL=VOFF+G×VL其中,VOFF为输出端的失调电压。
另外,设置箝位电平需要注意,箝位信号(VH和VL)是交替同相输入,在常规同相输入超出它们形成的“窗口”时选用。
请参看图
7。
可以使箝位电压比输入信号的最大偏移高出和低出100mV,增益为
2。
因而,VH应比最大输入信号偏移+0.5V高50mV,即+550mV。
类似地,VL应比最小输入信号偏移-0.5V低50mV,即-550mV。
两种情况下,多出的50mV将乘以
2,结果为100mV,而相同的失调将同时应用于输入信号和箝位信号。
–VIN +VIN +
1 VH +
1 VL +
1 RF140Ω AB
C CH A1A+12S1 S1 ABC VIN>VH 010 VL≤VIN≤VH100 VIN7.AD8036/AD8037箝位放大器系统 1N5712肖特基二极管用于保护AD9002中的基底二极管在加电瞬变期间不发生正向偏置。
其它的考虑 一般地,用于产生VH和VL电压的电阻应保持在低于1k的水平,这样可以减少偏置电流导致的误差。
另外,建议在接近运算放大器之处用0.1µF电容接地,以旁路VH和VL。
如果未使用两个箝位输入之一或者两者都未使用,则可将相应的引脚置于悬空,放大器的作用将与无箝位放大器相同。
如果两个箝位引脚之一或两者同时动态驱动,则可以形成一种非箝位情形。
此时,VH可针对正偏移无箝位在+V处偏置,VL可针对负偏移无箝位在–V处偏置。
结束语 输入箝位放大器(ICA)比输出箝位放大器(OCA)具有更好的箝位性能。
对于多数应用,可用ICA取代OCA,但根据各种电路的细节,必须进行必要的修改,以成功完成更替。
要成功应用ICA,必须根据具体情况处理各种电路。
本文提到的技术描述了多数常见情况下需要的电路变更。
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