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由 cathy 提交于

<font color="#FF0000">作者：tschmitt，ADI应用工程师</font>

在该系列博客<a data-containerid="2003" data-containertype="14" data-objectid="16953" data-objecttype="1" href="http://mouser.eetrend.com/blog/2017/100008275.html"&gt;《增加单极性输入的增益》</a>中，我们讨论了同相配置的一种修改，其适用于±V<sub>REF</sub>范围内的双极性输入，但不兼容超出该范围的信号。今天将讨论一种略有修改的配置，其支持ADAQ798x转换较大的双极性信号（例如±10 V）。我们首先看看如何选择相关电阻以实现所需的输入范围，然后看看这些值如何影响系统的输入阻抗和本底噪声。

<strong>支持衰减的同相求和配置</strong>

针对大于±VREF的信号，可采用以下配置来执行带衰减的双极性到单极性转换。

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此配置与该系列博客《增加单极性输入的增益》讨论的配置相似，区别在于不再需要R<sub>f</sub>和R<sub>g</sub>，但增加了R<sub>3</sub>以提供额外的信号衰减。此配置的传递函数如下：

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这次求得R<sub>1</sub>、R<sub>2</sub>和R<sub>1</sub>之比的数学计算较为复杂，但我们可以使用同之前配置相似的方法。求出电阻之比后，便可根据应用需求选择具体的值。为了简洁起见，这里不叙述推导的每一步，但我们会看到，对于v<sub>IN</sub>的最小值和最大值，传递函数的简化使我们能得出电阻比。

R<sub>1</sub>和R<sub>2</sub>之比是利用该配置的传递函数并代入v<sub>IN</sub>最小值（使得v<sub>AMP_OUT</sub>等于0 V）而得出：

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R<sub>3</sub>不出现在公式中，求解R<sub>1</sub>和R<sub>2</sub>得到：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-09/博客/100008251-27465-a4.png&quot; alt=“” ></center>

R<sub>1</sub>和R<sub>3</sub>之比是代入v<sub>IN</sub>最大值（使得v<sub>AMP_OUT</sub>等于V<sub>REF</sub>）而得出：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-09/博客/100008251-27466-a5.png&quot; alt=“” width="600"></center>

这一次，R<sub>2</sub>不出现，求解R<sub>1</sub>和R<sub>3</sub>得到：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-09/博客/100008251-27467-a6.png&quot; alt=“” ></center>

此时，我们可以选择其中任一电阻的值（考虑V<sub>REF</sub>和v<sub>IN</sub>范围），然后计算另两个电阻的值。像以前一样，主要权衡因素是输入阻抗与系统噪声和失调误差。此电路的输入阻抗(Z<sub>IN</sub>)为：

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再次考虑该系列博客<a data-containerid="2003" data-containertype="14" data-objectid="16954" data-objecttype="1" href="https://ezchina.analog.com/thread/16954"&gt;《增加双极性输入的增益》</a>的例子，其中v<sub>IN</sub> = ±10 V，VREF = 5 V，用1 MΩ的输入阻抗设计该配置。对于v<sub>IN</sub>和VREF的这种组合，R<sub>1</sub>须为R<sub>2</sub>的2倍，且等于R<sub>3</sub>。将R<sub>2</sub>和R<sub>3</sub>与R<sub>1</sub>的比值用于输入阻抗公式，得到R<sub>1</sub> = 750 kΩ。因此，R<sub>2</sub>和R<sub>3</sub>分别为375 kΩ和750 kΩ。

正如该系列博客<a data-containerid="2003" data-containertype="14" data-objectid="16954" data-objecttype="1" href="https://ezchina.analog.com/thread/16954"&gt;《增加双极性输入的增益》</a>一文所述，需要权衡输入阻抗与系统噪声性能。实现高输入阻抗需要大电阻，而后者会产生更多热噪声，并与ADC驱动器的输入电流噪声相互作用，产生更多输入电压噪声。二者均会提高ADC输入端的有效均方根电压噪声，导致性能大幅降低。在上例中，系统总噪声约为334 μV rms（使用5 V基准源时，动态范围降低整整15.5 dB，从92 dB降至74.5 dB）！

但还有希望！如果限制输入带宽，这种配置实际上可以实现接近最优的性能。例如，若将上例中的输入带宽限制为20 kHz，则全系统噪声几乎降低10倍，达到48 μV rms（对于V<sub>REF </sub>= 5 V，动态范围为91.4 dB）！我们可以通过增加分流电容C<sub>S</sub>来限制输入带宽(BW<sub>in</sub>)，如下图所示。注意，对于这些噪声计算，我们可以将R1、R2和R<sub>3</sub>看作单个电阻RS，其中RS为R<sub>1</sub>、R<sub>2</sub>和R<sub>3</sub>的并联组合。

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技术指南<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">《单极点系统的运算放大器总输出噪声计算》</a>说明了如何计算R<sub>S</sub>产生的噪声（包括热噪声及其与ADC驱动器输入电流的相互作用）。ADAQ798x的主要区别在于噪声带宽是由集成RC滤波器设置，而不是指南中的放大器带宽。RS给ADC输入端增加的有效值噪声为：
（e<sub>n</sub>为R<sub>S</sub>的约翰逊噪声，G为ADC驱动器增益。）

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C<sub>S</sub>通过降低ADC驱动器的输入带宽来减小到达ADC的噪声。如果R<sub>S</sub>和C<sub>S</sub>的截止频率远小于集成RC滤波器的截止频率(4.42 MHz)，则RS的噪声贡献可以利用R<sub>S</sub>和C<sub>S</sub>计算，代替上式中的R和C。

系统总噪声为ADAQ798x中各噪声源的和方根，包括RS的噪声、ADC驱动器的输入电压噪声和ADC的有效值噪声。下图显示了多个R<sub>S</sub>值对应的系统噪声与输入带宽的关系。

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注意随着输入带宽降低，全系统噪声趋向于ADAQ798x的总有效值噪声(44.4 μV rms)。这意味着降低带宽所获得的减噪收益会在某一频率递减，该频率取决于R<sub>S</sub>有效值。

<strong>结语</strong>

本文讨论了一种允许ADAQ798x接受大于±V<sub>REF</sub>的双极性输入的ADC驱动器配置，并说明了如何基于电阻值（以及可选的分流电容C<sub>S</sub>）计算输入阻抗和系统噪声。

虽然已证明增加C<sub>S</sub>可降低噪声，但它也会限制可用输入带宽。因此，将此配置用于宽带宽应用时，要实现高输入阻抗常常是不切实际的。此配置仅推荐用于需要高输入阻抗的低带宽应用。

<strong><font color="#FF0000">相关阅读文章：</font></strong>

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<strong><a href="http://mouser.eetrend.com/blog/2017/100008331.html">双极性输入的另一种配置</a></st…;
<strong><a href="http://mouser.eetrend.com/blog/2017/100008312.html">如何增加双极性输入的增益？</a></strong>
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<strong><a href="http://mouser.eetrend.com/blog/2017/100008265.html">为何要配置ADC驱动器？</a></strong>

本文转载自<a href="https://ezchina.analog.com/thread/16955">ADI中文技术论坛</a&gt;
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全能DAQ ADAQ798x，如何实现衰减双极性输入