高电压、真差分信号采集的SAR ADC驱动电路设计

高电压、真差分信号采集的SAR ADC驱动电路设计

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/mogutou520/article/details/142425553

本设计展示了一种用于驱动高压SAR ADC以实现高压全差分信号数据采集的解决方案。该方案使用一个通用高压精密放大器来执行差分到单端信号转换，并以最高吞吐量驱动±10V的高压SAR ADC单端输入量程。这种类型的应用在终端设备中十分常见，如：多功能继电器、交流模拟输入模块以及铁路运输的控制装置。

1 简介

本设计展示了一种用于驱动高压SAR ADC以实现高压全差分信号数据采集的解决方案。该差分信号可能具有广泛的共模电压范围，具体取决于放大器的电源和输入信号振幅。使用一个通用高压精密放大器来执行差分到单端信号转换，并以最高吞吐量驱动±10V的高压SAR ADC单端输入量程。这种类型的应用在终端设备中十分常见，如：多功能继电器、交流模拟输入模块以及铁路运输的控制装置。

2 设计目标

2.1 运放输入

2.2 ADC输入

2.3 数字输出

2.4 电源

3 规格

规格 OPA827计算值 OPA827仿真值 OPA192计算值 OPA192仿真值
共模输入范围 (Vdif = ±20V) ±26V ±26V ±35V ±35V
瞬态 ADC 输入误差 <1/2LSB(152uV) 0.002LSB(0.568uV) <1/2LSB(152uV) 0.006LSB(1.86uV)
驱动器的相位裕度 >45° 67.1° >45° 68.6°
噪声（ADC 输入端） 14.128uVrms 15.88uVrms 5.699uVrms 6.44uVrms

• 根据共模电压、输入摆幅和电源，确定放大器线性范围
• 在此设计电路中，输入信号共模电压可以为VInputCM范围内的任意值
• 选择COG电容器以最大限度减少失真
• 请使用0.1% 20ppm/°C或更高规格的薄膜电阻器，以实现良好的精确度、低增益漂移，并最大限度减少失真

4 设计计算

• 根据差分输入信号水平和ADC满量程输入范围，计算增益
• 选择差分增益Rf和Rg标准电阻值
• 计算放大器线性运行的最大和最小输入（即，放大器的共模范围Vcm_amp)
• 根据放大器输入范围和前面所示的配置，计算最大共模电压范围
  以OPA827为例，共模输入可为±26V，差分输入为±20V计算
• 在本例中，我们需要的带宽约为10kHz。注意：如果您需要调整带宽，由于闭环带宽影响趋稳，需要核实电荷储能滤波器趋稳（Cfilt和Rfilt）

5 噪声计算

本部分展示了全噪声分析，包括电阻噪声。此外，我们还分析了低于fc（噪声增益=1.5）及高于fc（噪声增益=1）的噪声。在本例中，噪声主要为宽频放大器噪声，故电阻器的影响不大。但在很多情况下，电阻器噪声也可能很重要，故我们提供了完整的噪声计算方法。

• 反馈回路带宽：
  OPA827电压噪声谱密度：
• 反馈回路（Rf1和Rg1)和RC同相输入（Rf2和Rg2)的热噪声密度：
• 来自于同相输入电阻器的噪声与来自于反馈电阻器的噪声相同
• 放大器输出的总噪声（增益值）：
• 超过fc的噪声由输出滤波器限定（截止值如下所示）：
• 施加在ADC输入端的总噪声：

6 电路仿真

时域仿真：

频域仿真：

噪声仿真：