设计说明

仪表放大器针对低噪声、低失调电压、低漂移、高 CMRR 和高精度进行了优化，但这些仪表放大器可能无法驱动精密 ADC，以在 ADC 采集期间正确地使信号稳定。该设计将展示宽带宽缓冲器 (OPA827) 如何与仪表放大器结合使用，以在较高的采样速率下实现良好的稳定。这个具有缓冲器的 INA828 仪表放大器驱动 ADS8568 SAR ADC，以实现可能具有较宽共模电压范围的高电压全差分信号或高达 ±10V 的双极单端信号的数据捕获。相关的电路指导手册（采用仪表放大器驱动高电压 SAR ADC）中介绍了一种不采用宽带宽缓冲器的简化方法，与本文档中的缓冲式设计相比，该简化方法具有有限的采样速率。该电路实施适用于需要精密信号处理和数据转换的工业运输 和模拟输入模块。

规格

设计说明

1. 仪表放大器的带宽通常不足以以较高的数据速率驱动 SAR 数据转换器，因此需要使用宽带宽驱动器，因为采用开关电容器输入结构的 SAR ADC 具有需要在每次采集期间充满电的输入电容器。此设计中增加了 OPA827 缓冲器，从而使 ADC 能够以最大采样速率运行（ADS8568 510kSPS，对于并行接口）。
2. ADS8568 可以接受 ±10V 单端输入信号。INA828 用于将 ±10V 差分信号转换为 ±10V 单端信号。因此，在该示例中 INA282 具有单位增益，不需要外部增益设置电阻器 Rg。如果输入信号范围较小，从而需要增益，请参阅采用高增益仪表放大器驱动 ADC 的电路。
3. 使用模拟工程师计算器 检查放大器的共模范围。
4. 选择适合 C₁ 和 C_filt 的 COG 电容器，以便更大程度地减少失真。
5. 高精度实验室视频系列介绍了选择驱动器放大器以及电荷桶电路 R_filt 和 C_filt 的方法。有关详细信息，请观看选择和验证驱动器放大器 和 SAR ADC 前端元件选择简介 视频。
6. 设置运算放大器和仪表放大器之间滤波器的截止频率，以实现抗混叠并更大程度地降低噪声。有关混叠和抗混叠滤波器的更多详细信息，请观看混叠和抗混叠滤波器。

元件选型

1. 根据差分输入信号水平和 ADC 满量程输入范围，查找增益。该设计中的输入信号是 ±10V 高电压信号，因此应将 INA828 的增益设置为 1，不需要增益电阻器 (Rg)。
2. 使用模拟工程师计算器 来确定 INA828 是否超出共模范围。下图中的共模计算器指示对于 0V 共模输入，输出摆幅为 ±14.9V。
   
3. 使用 TINA SPICE 和 SAR ADC 前端元件选择 中所述的方法来查找 C_filt 和 R_filt 的值。本文档中所示的 R_filt 和 C_filt 值适用于这些电路；不过，如果您使用其他放大器，则必须使用 TINA SPICE 来确定新值。
4. 根据您的系统要求（在该示例中为 f_cRC = 15.9kHz）选择 INA828 和 OPA827 之间的 RC 滤波器。设置该滤波器的截止频率，以实现抗混叠并更大程度地降低噪声。
   

直流传输特性

下图展示了 –12.2V 至 +12.2V 差分输入的线性输出响应。ADC 的输入范围是 ±10V，因此放大器的线性度远远超出所需的范围。请观看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。该 ADC 的满标量程范围 (FSR) 处于仪表放大器的线性范围内。

交流传输特性

该系统的带宽被仿真为 167kHz，增益为 0dB。OPA827 和 INA828 之间的滤波器将带宽限制为约 167kHz。

瞬态 ADC 输入稳定仿真 (510kSPS)

之所以使用 OPA827 缓冲器 (22MHz GBW)，是因为它能够响应 ADS8568 的电荷反冲产生的快速瞬态。该运算放大器缓冲器使系统能够实现 ADS8568 的最大采样速率 (510kSPS)。以下仿真显示了使用 INA828 和 OPA827 缓冲器以及 ADS8568 的稳定至满量程直流输入信号。该类型的仿真表明已正确选择采样保持反冲电路，满足所需的 ½LSB (152µV)。请观看 SAR ADC 前端元件选择简介 培训视频系列，了解有关该主题的详细理论。

噪声仿真

该部分概要介绍如何使用简化的噪声计算方法进行粗略估算。这些噪声包括 INA828 和 OPA827 噪声。请注意，仪表放大器和运算放大器之间的 RC 滤波器会显著降低总噪声。将输出滤波器极点估算为二阶滤波器，因为 OPA827 (22MHz) 带宽限制和电荷桶滤波器截止频率 (10.2MHz) 接近。

请注意，计算值与仿真值之间匹配良好（计算值 = 47.2µV，仿真值 = 46µV）。有关放大器噪声计算的详细理论，请参阅TI 高精度实验室；有关数据转换噪声，请参阅计算 ADC 系统的总噪声。

设计中采用的器件

主要文件链接

德州仪器 (TI)，SBAA286 的源文件，支持软件