如何利用多種箝位放大器對(duì)輸出端的信號(hào)偏移進(jìn)行限制控制

簡(jiǎn)介

在超聲及成像等各類系統(tǒng)中，模擬信號(hào)的電壓有時(shí)可能突然達(dá)到極限值。而諸如ADC驅(qū)動(dòng)器之類的多種下游電路可以對(duì)模擬輸入信號(hào)電平進(jìn)行限制，以維持其性能。在過(guò)驅(qū)條件下，這類器件可能過(guò)度吸取電流，也可能被驅(qū)動(dòng)至飽和狀態(tài)，從而延長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間。

在這類系統(tǒng)中，可以利用多種箝位放大器來(lái)對(duì)輸出端的信號(hào)偏移進(jìn)行限制，以保護(hù)下游器件。目前，多數(shù)箝位放大器都依賴于一種稱為輸出箝位放大器(OCA)的輸出箝位架構(gòu)。一種被稱為輸入箝位放大器(ICA)的新型架構(gòu)可提供更高的箝位精度和更低的失真。

圖1顯示了兩種器件的相對(duì)性能?？梢钥闯觯诰€性區(qū)，ICA更接近直線，進(jìn)入箝位區(qū)后有所彎曲。另一方面，OCA在接近箝位電壓時(shí)，偏離直線的時(shí)間更早。當(dāng)然，響應(yīng)更接近直線的程度顯示了放大器在該區(qū)的線性度。

目標(biāo)最大偏移稍寬，以最大限度降低失真。因此，用ICA取代OCA時(shí)，箝位區(qū)可以較窄而不增加額外的失真。這樣做可以降低下游電路在過(guò)驅(qū)過(guò)程中的電壓。在多數(shù)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行這樣的調(diào)節(jié)只需要對(duì)產(chǎn)生箝位電壓的電路略作修改即可。

圖2即顯示了這種概念。各類放大器的線性信號(hào)幅度都是相同的。但是，由于近箝位失真區(qū)較大，必須將OCA的箝位電平上下限設(shè)得稍寬一些，以保持信號(hào)的線性度。因而，在過(guò)驅(qū)條件下，下游電路在由OCA驅(qū)動(dòng)時(shí)，信號(hào)將大于ICA驅(qū)動(dòng)的情況。

另外，由于ICA具有更出色的過(guò)驅(qū)特性，結(jié)果將進(jìn)一步改善過(guò)驅(qū)響應(yīng)。對(duì)于低增益箝位級(jí)，ICA輸出偏移箝位設(shè)定電平的值不會(huì)超過(guò)10 mV。另一方面，OCA的過(guò)沖將達(dá)幾百毫伏，具體取決于過(guò)驅(qū)信號(hào)的大小。同樣，圖1顯示了這種概念。顯然，ICA在箝位區(qū)的性能相對(duì)平坦，不受過(guò)

驅(qū)幅度的影響，而OCA輸出則隨過(guò)驅(qū)幅度加大而增加。

ADI推出的前兩款輸入箝位放大器AD8036和AD8037采用ICA結(jié)構(gòu)。但是，由于它們?cè)?a target="_blank">工作原理方面存在差異，除了工作增益為+1的電路，在設(shè)計(jì)中以ICA取代OCA并不是“直接”替代即可，盡管兩種器件的引腳排列都是相同的。但是，由于二者的引腳排列相同，一般而言，不需要對(duì)電路進(jìn)行太多修改。不過(guò)，對(duì)于每種狀況都必須對(duì)每種配置單獨(dú)處理。下面將詳細(xì)討論進(jìn)行這種替換時(shí)需要考慮的因素。

反相工作

需要考慮的第一個(gè)因素是運(yùn)算放大器的工作極性。AD8036和AD8037的輸入箝位運(yùn)算放大器架構(gòu)不是反相工作模式。因此，不能直接用適用于反相配置的ICA取代OCA。為了在反相應(yīng)中發(fā)揮出ICA的出色箝位特性，必須采用一個(gè)獨(dú)立的反相級(jí)。

圖3所示電路中，反相級(jí)之后為ICA，即同相配置的AD8036，用于提供反相箝位放大器的整體功能。圖中所示電路的增益為–RF/RI，箝位電壓為VH和VL。有關(guān)箝位級(jí)的工作原理，將在下節(jié)進(jìn)一步討論。在所有箝位電路中，VH必須大于VL，但二者可以為器件輸出范圍內(nèi)的任何值。

對(duì)于要求增益大于(-)1的電路，設(shè)計(jì)人員可以選擇如何在反相級(jí)與箝位級(jí)之間分配增益。為獲得最高精度，應(yīng)降低ICA的工作增益，因?yàn)轶槲痪仁窃鲆娴暮瘮?shù)，對(duì)此下一節(jié)將詳述。需要的額外增益可以在反相級(jí)中提供。

同相工作

單位增益

對(duì)于取代同相OCA的情況，最重要的考慮因素是箝位放大器的工作增益，因?yàn)镮CA的輸出箝位電平是放大器閉環(huán)增益的函數(shù)。

首先需要考慮的是同相單位增益。對(duì)于OCA，箝位電平等于施加于VH (引腳8)和VL(引腳5)的電壓。對(duì)于ICA，將這些電壓值乘以閉環(huán)增益可以算出箝位電平。但是，由于增益為+1，因而ICA和OCA的箝位電平將相等。因此，可以直接進(jìn)行替換。圖4為單位增益箝位電路示例。

由于這里討論的是同相單位增益，因此，所選的放大器也必須在單位增益下具有穩(wěn)定的工作性能。在前面提到的兩種ICA中，AD8036針對(duì)單位增益進(jìn)行過(guò)補(bǔ)償。因此，可以用AD8036直接取代同相單位增益應(yīng)用中的OCA。該器件將在相同電平下提供與OCA相同的增益和箝位。

增益為2或大于2

當(dāng)箝位放大器的同相增益等于或大于2時(shí)，可以使用帶寬較寬的AD8037，因?yàn)樵撈骷槍?duì)等于或大于2的噪聲增益進(jìn)行過(guò)補(bǔ)償。然而，要保持箝位電平不變，必須改變施加于箝位引腳的電壓，因?yàn)轶槲浑娖绞欠糯笃鏖]環(huán)增益的函數(shù)。利用以下等式即可算出正確的箝位電壓：

其中： VCH 為輸出箝位電平上限

VCL 為輸出箝位電平下限

G 為放大器配置的增益

VH 為施加于VH (引腳8)的電壓

VL 為施加于VL

(引腳5)的電壓

一般地，為了使箝位電平維持于采用OCA時(shí)的水平，施加于任一箝位引腳的電壓應(yīng)設(shè)為箝位電平除以放大器閉環(huán)增益之商。例如，如果放大器的工作增益為2，且其箝位電平上限為1V，則施加于VH(引腳8)的電壓應(yīng)為1V/2，即0.5V。類似地，如果需要將箝位電平下限設(shè)為–1V，則施加于VL(引腳5)的電壓應(yīng)為–1 V/2，即–0.5 V。圖5所示為增益為2的AD8037的箝位級(jí)。

由此可以推斷出，箝位電路中的輸入失調(diào)將隨運(yùn)算放大器級(jí)的增益倍數(shù)倍增。為了獲得最佳箝位精度，箝位放大器應(yīng)設(shè)為低增益，需要的任何額外增益則于箝位級(jí)之前的另一個(gè)增益級(jí)提供?，F(xiàn)實(shí)情況下，對(duì)于增益不超過(guò)10的箝位級(jí)，利用ICA都可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于OCA的精度。

有關(guān)近箝位區(qū)失真的討論仍然適用。箝位窗口必須稍大于最大信號(hào)偏移，以盡量減少失真。ADC將在待轉(zhuǎn)換最大信號(hào)電平與最大過(guò)驅(qū)信號(hào)電平之間形成一個(gè)區(qū)間，在該區(qū)間中其指標(biāo)不會(huì)受到影響。箝位電平即應(yīng)設(shè)在這一區(qū)域之內(nèi)。

失調(diào)箝位

有些運(yùn)算放大器應(yīng)用需要在輸出端提供直流失調(diào)電壓。這些一般配置為反相模式，其失調(diào)可能由直流電壓產(chǎn)生，該電壓通過(guò)求和電阻相加而得，并作為放大器的額外輸入。由于ICA不支持反相模式箝位，因而這種配置不能箝位?？梢栽O(shè)計(jì)同相電路，同時(shí)提供增益和失調(diào)。然而，由于用來(lái)改變?cè)鲆婧褪д{(diào)的電阻之間存在相互作用，其設(shè)計(jì)不如反相配置簡(jiǎn)單。

圖6顯示了AD8037的一種同相配置，同時(shí)提供箝位和失調(diào)。電路所示為AD9002的驅(qū)動(dòng)器，這是一種8位125 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，圖中展示了采用具有失調(diào)和箝位功能的AD8037時(shí)需要考慮的因素。AD9002的模擬輸入范圍為地電壓至–2V之間。輸入偏移該范圍的值不能太大，以避免吸收過(guò)多電流。在地電壓附近，輸入具有對(duì)稱性，其幅度為1 V p-p。

為使AD8037在增益為2的條件下正常工作，我們依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)選用了一個(gè)301 Ω的反饋電阻。當(dāng)增益為2時(shí)，R1和R3兩個(gè)并聯(lián)電阻必須等于反饋電阻R2。因此R1 × R3/(R1 + R3) = R2 = 301 Ω用于提供失調(diào)的基準(zhǔn)器件為AD780，其輸出為2.5V。為了算出R3的值，先假定同相輸入端的輸入為0V。這會(huì)強(qiáng)制反相輸入同樣為0V，該值為–1V（與輸入中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的范圍中點(diǎn)），因此，R2中的電流為1V/301Ω或3.32 mA。由于電流不會(huì)流入R1或運(yùn)算放大器的反相輸入端，因此，R3中的電流一定相同。因此

2.5 V = (3.32 mA) R3 或 R3 = 750 Ω.

利用以上等式，可計(jì)算出R1的值為499 Ω。

需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行箝位處理，使輸出在任一方向上偏移ADC最大輸入信號(hào)范圍的值不超過(guò)100mV。因此，在輸出端，高電平箝位應(yīng)發(fā)生于+0.1V，低電平箝位應(yīng)發(fā)生于–2.1V。

由于箝位發(fā)生在輸入級(jí)，因此，輸出端的箝位電平不但受電路增益的影響，同時(shí)也受失調(diào)的影響。因此，為了取得目標(biāo)箝位電平，VH必須在+550mV時(shí)偏置，VL則須在–550mV時(shí)偏置。電源與地之間兩個(gè)電阻806Ω和100Ω形成的分壓器用于產(chǎn)生箝位電壓。

一般地，輸出端的箝位電平可用以下等式計(jì)算：

VCH = VOFF + G × VH

VCL = VOFF + G × VL

其中，VOFF為輸出端的失調(diào)電壓。

另外，設(shè)置箝位電平需要注意，箝位信號(hào)(VH和VL)是交替同相輸入，在常規(guī)同相輸入超出它們形成的“窗口”時(shí)選用。請(qǐng)參看圖7?？梢允贵槲浑妷罕容斎胄盘?hào)的最大偏移高出和低出100mV，增益為2。因而，VH應(yīng)比最大輸入信號(hào)偏移+0.5 V高50 mV，即+550 mV。類似地，VL應(yīng)比最小輸入信號(hào)偏移-0.5 V低50mV，即-550 mV。兩種情況下，多出的50 mV將乘以2，結(jié)果為100 mV，而相同的失調(diào)將同時(shí)應(yīng)用于輸入信號(hào)和箝位信號(hào)。

1N5712肖特基二極管用于保護(hù)AD9002中的基底二極管在加電瞬變期間不發(fā)生正向偏置。

其它的考慮一般地，用于產(chǎn)生VH和VL電壓的電阻應(yīng)保持在低于1k的水平，這樣可以減少偏置電流導(dǎo)致的誤差。另外，建議在接近運(yùn)算放大器之處用0.1μF電容接地，以旁路VH和VL

。如果未使用兩個(gè)箝位輸入之一或者兩者都未使用，則可將相應(yīng)的引腳置于懸空，放大器的作用將與無(wú)箝位放大器相同。如果兩個(gè)箝位引腳之一或兩者同時(shí)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，則可以形成一種非箝位情形。此時(shí)，VH可針對(duì)正偏移無(wú)箝位在+V處偏置，VL可針對(duì)負(fù)偏移無(wú)箝位在–V處偏置。

結(jié)束語(yǔ)

輸入箝位放大器(ICA)比輸出箝位放大器(OCA)具有更好的箝位性能。對(duì)于多數(shù)應(yīng)用，可用ICA取代OCA，但根據(jù)各種電路的細(xì)節(jié)，必須進(jìn)行必要的修改，以成功完成更替。要成功應(yīng)用ICA，必須根據(jù)具體情況處理各種電路。本文提到的技術(shù)描述了多數(shù)常見情況下需要的電路變更。

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