高输入阻抗、真差分、模拟前端 (AFE) 衰减器电路设计

1 简介

       此模拟前端 (AFE) 和 SAR ADC 数据采集解决方案可测量 ±24V 范围（或绝对输入范围 VinP = ±12V，VinN= ±12V）内的真差分电压信号，提供高输入阻抗，支持高达 500ksps 的数据速率，且具有 18 位分辨率。此解决方案采用具有低输入偏置电流的精密 36V 轨至轨放大器来缓冲全差分放大器 (FDA) 的输入。FDA 可使信号衰减并将其转换为 SAR ADC 的差分电压和共模电压范围。

        该电路实现方案用于精确测量 特定于应用的测试设备 、 数据采集 (DAQ) 卡 和 模拟输入模块 （用于 可编程自动化控制 (PAC)、 离散控制系统 (DCS) 和 可编程逻辑控制 (PLC) 应用中的环流）中的真差分电压。

2 设计目标

2.1 输入

输入电压（OPA197缓冲器）	THS4551输出、ADC输入
VinP = –12V，VinN = +12V，VinMin (Dif) =–24V	VoutDif = –4.00V，VoutP = 0.25V，VoutN = 4.25V
VinP = +12V，VinN = –12V，VinMax (Dif) =+24V	VoutDif = +4.0V，VoutP = 4.25V，VoutN = 0.25V

2.2 电源

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3 规格

规格	目标值	仿真值
瞬态 ADC 输入趋稳 (500ksps)	< 1 LSB	0.5µV
噪声（ADC 输入端）	10uVrms	9.76uVrms
带宽	1.25MHz	1.1MHz

• 选择 COG 电容器以最大限度减少失真
• 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器以最大限度减少失真

 4 设计计算

• 计算缓冲放大器线性运行的输入范围：

        

• 计算缓冲放大器线性运行的输出范围：

        

• 确定 ADC 满量程输入范围

        

• 计算所需的 ADC 共模电压：

        

• 确认FDA 线性运行的绝对输出电压范围

        

• 计算FDA 线性运行的差分输出电压范围

        

        

        

        

取，

• 计算FDA 差分输入电压范围

        

        

• 计算FDA 所需的衰减比

        

• 计算标准电阻值来设置衰减比

        Rf=6.04k，Rg=1k

• 计算Cƒ(R fINA = 1kΩ)

        

5 电路仿真

时域仿真：

频域仿真：

噪声仿真：