高电压、真差分信号采集的SAR ADC驱动电路设计

 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

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2.2 ADC输入

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2.3 数字输出

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2.4 电源

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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：