设计说明

本设计可将 ±20V 的双极性输入信号转换为 ±4.8V 的全差分 ADC 差分输入量程，该量程值在放大器的输出线性运行范围内。您可以调整“元件选择”部分的值以允许不同的输入电压电平。

该电路实施方案适用于需要精确测量电压的应用，例如电池维护系统、电池分析仪、电芯化成和测试设备、ATE 以及无线基站中的远程无线电单元 (RRU)。

规格

设计说明

1. 根据共模、输出摆幅和线性开环增益规格，确定运算放大器的线性范围。“元件选择”部分中介绍了该内容。
2. 对于信号路径中的电容器，请选择 COG 类型，以更大限度地减少失真。在本电路中，Cf1、Cf2、Cf3、Cf4、Cfilt1 和 Cfilt2 均需为 COG 类型。
3. 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器以实现良好的增益漂移并更大限度地减少失真。
4. 高精度实验室视频系列介绍了进行误差分析的方法。请查看误差分析背后的统计数据，以了解更大限度减少增益、失调电压、漂移及噪声误差的方法。
5. TI 精密实验室 - ADC 培训视频系列介绍了选择电荷桶电路 R_filt 和 C_filt 的方法。此类元件值取决于放大器带宽、数据转换器采样速率以及数据转换器设计。此处展示的值将能够为本例中的放大器、增益设置和数据转换器提供良好的趋稳和交流性能。如果修改了设计，请选择其他 RC 滤波器。请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介，了解如何选择 RC 滤波器以实现最佳的趋稳和交流性能。

元件选型

1. 本电路的一般方程式。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outMinOpa}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{outDifMin}}}{2}+{\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outMaxOpa}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{outDifMax}}}{2}+{\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outDif}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{inDif}}\times {\mathrm{Gain}}_{\mathrm{dif}}$
   ${\mathrm{Gain}}_{\mathrm{dif}}=2\times \frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}$
2. 查找运算放大器线性运行的最大和最小输出。
   $-0.1\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}<5.1\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{OPA}320 \mathrm{Vcm} \mathrm{specification}$
   $0.035\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<4.965\mathrm{V} \text{from OPA320 Vout swing specification}$
   $0.1\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<4.9\mathrm{V}\text{ from OPA320 Aol specification for linear operation}$
   $0.1\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<4.9\mathrm{V} \mathrm{Combined} \mathrm{worst} \mathrm{case}$
3. 整理第 1 部分的方程式，求解 VoutDifMin 和 VoutDifMax。基于第 2 步中的综合最坏情形找出最大和最小差分输出电压。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outDifMax}}=2\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{outMaxOpa}}-2\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}=2\times (4.9\mathrm{V})-2\times (2.5\mathrm{V})=4.8\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{outDifMax}}=2\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{outMinOpa}}-2\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}}=2\times (0.1\mathrm{V})-2\times (2.5\mathrm{V})=-4.8\mathrm{V}$
4. 根据第 3 步的结果找出差分增益。
   $\mathrm{Gain}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{outDifMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{outDifMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{inDifMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{inDifMin}}}=\frac{(4.8 \mathrm{V})-(-4.8 \mathrm{V})}{(20 \mathrm{V})-(-20 \mathrm{V})}=0.24$
5. 确定用于实现差分增益的标准电阻器值。通过模拟工程师计算器（“放大器和比较器\查找放大器增益”部分）找出 Rf/Rg 比率的标准值。
   $\frac{Gai{n}_{dif}}{2}=\frac{R_f}{R_g}=\frac{0.24}{2}=0.12$
   $\frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}{{\mathrm{R}}_{\mathrm{g}}}=0.12=\frac{{\displaystyle 12 \mathrm{k\Omega }}}{100 \mathrm{k\Omega }}=0.12$
6. 找出截止频率 Cf。
   $\mathrm{f}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{f}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times (1.3\mathrm{nF})\times \left(12\mathrm{k\Omega }\right)}=10.2\mathrm{kHz}$
   ${\mathrm{C}}_{\mathrm{f}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{c}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times (10 \mathrm{kHz})\times (12 \mathrm{k\Omega })}=1.326 \mathrm{nF}\text{ or 1.3 nF for standard value}$
   $\mathrm{f}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{f}}\times {\mathrm{R}}_{\mathrm{f}}}=\frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times (1.3\mathrm{nF})\times \left(12\mathrm{k\Omega }\right)}=10.2\mathrm{kHz}$

直流传输特性

下图展示了 –20V 至 +20V 输入的线性输出响应。请参阅使用仪表放大器时确定 SAR ADC 的线性范围，了解有关该主题的详细理论。

交流传输特性

带宽被仿真为 10.4kHz，增益为 –12.4dB（线性增益为 0.12）。请参阅运算放大器：带宽 1，了解有关此主题的更多详细信息。

瞬态 ADC 输入稳定仿真

以下仿真显示了趋稳至 –20V 直流输入信号的情况。该类型的仿真表明已正确选择采样保持反冲电路。请参阅 SAR ADC 前端元件选择简介，了解有关此主题的详细理论。

噪声仿真

以下简化噪声计算方法用于进行粗略估算。我们在此计算中忽略电阻器噪声，因为在频率大于 10kHz 的情况下此噪声会衰减。

注意，计算结果与仿真结果匹配良好。请参阅计算 ADC 系统的总噪声 了解有关此主题的详细理论。

测量 FFT

该性能是在 ADS8910BEVM 的修改版本上测得的。交流性能表明 SNR = 99.4dB，THD = –116.4dB。有关此主题的更多详细信息，请参阅频域简介。

噪声测量

以下测量结果针对的是连接至接地的两个输入。直方图显示了系统的失调电压和噪声。代码中的标准偏差由 EVM GUI 给出 (0.81)，该值可用于计算 RMS 噪声 (30.9µV rms)，如以下方程式所示。

设计中采用的器件

高电压电池监控器主要文件链接

德州仪器 (TI)，SBAC171 设计文件，软件支持