單電路即可滿(mǎn)足系統解析度和 12 位精度要求

一般而言，手持式儀表、數據記錄器、車(chē)載和監控系統都要求一種低成本高精度、高系統解析度的多路復合系統?？梢詫⑦@些要求都集成到一個(gè)電路中嗎？能夠處理這些多樣性需求的系統，要求一個(gè)多路復用器、增益單元和一個(gè)模數轉換器 (ADC)。

解決這個(gè)問(wèn)題的一種可行方案是一個(gè) 10 通道、可編程放大器 (PGA)，它與一個(gè)中速 12 位 SAR ADC（請參見(jiàn)圖 1）配合工作。該單電源、10 通道 PGA 具有一個(gè)軌至軌的輸入/輸出，增益調節范圍為 1 V/V 到 200 V/V。PGA 的 12 nV?Hz @ 10 kHz 低噪聲性能適合于 12 位系統。這兩個(gè)器件之間的模擬接口包括一個(gè)緩沖結構的運算放大器 (OPA) 以及一個(gè) R/C 電路。12 位 ADC 是一個(gè)帶固有采樣和保持的電容型 SAR ADC。該轉換器要求 R/C 電路，其可簡(jiǎn)化 ADC 輸入結構的充電動(dòng)作。

圖 1 這種系統使用一個(gè)多路復用 PGA 和驅動(dòng) 12 位轉換器的運算放大器

計算得到的 PGA 噪聲值（參考輸出 (RTO)）等于 10 kHz 下 PGA 噪聲密度 (12 nV/?Hz) 乘以 PGA 閉環(huán)帶寬的平方根乘以? (?/2)。?(?/2) 的倍數說(shuō)明了 PGA 帶寬以外頻率區域的噪聲。之后，所得值再乘以 PGA 的增益。方程式 1 使用了 16 V/V 的 PGA 增益：

轉換器產(chǎn)生的 ADC 噪聲為 431 ?V (rms)，大大低于該 5 伏系統的 1 LSB 或 1.22 mV。緩沖放大器的噪聲為 39 ?V (rms)，帶給系統的噪聲極少甚至為零。 PGA、OPA 和 ADC 的組合噪聲為 529 ?V (rms)，仍然低于 12 位轉換器的 1 LSB。該值使用一個(gè)方和根方程式（即方程式 2） 計算得出

PGA 為 16 V/V 增益時(shí)該系統的等效 12 位精度（Equiv12-bit）為 0.432 LSBs（請參見(jiàn)方程式 3）。

如果我們在 1-200 V/V 的 PGA 增益范圍來(lái)觀(guān)察該系統，我們便會(huì )發(fā)現 PGA 噪聲為電路的主要噪聲。一旦 PGA 增益超出 ~125 V/V，該系統便不再符合 12 位精度標準。然而，這種情況能夠通過(guò)縮小系統參考輸入 LSB 的電壓大小來(lái)改善（請參見(jiàn)圖 2）。獲得更小 LSB 的折中方法是降低系統的有效轉換位數 (ENOB)。

圖 2 系統精度高于 0.01%，且 PGA 增益為 1–125 V/V。PGA 增益為 125～200 V/V 時(shí)，系統精度高于 0.02%。

圖 1 所示系統可在要求 12 位精度時(shí)提供足夠的 PGA 增益范圍，也可在要求高系統解析度時(shí)提供同樣足夠的增益范圍。