精密运放如何在功率较低的情况下实现快速多路复用

发表于 2019-10-16 09:20:08 收藏 已收藏
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精密运放如何在功率较低的情况下实现快速多路复用

发表于 2019-10-16 09:20:08
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引言

如果要设计一种负责测量多个模拟电压 (但不是所有同时测量) 的系统,您可以通过把测量结果多路复用为单个输出信号来简化下游电路,随后采用共享组件对原始电压电平进行串行处理和数字化。这么做的好处是信号链路组件的数目和尺寸将比采用“按每个通道进行设计”时所需的小得多。正确地实现一种多路复用解决方案需要注意几个细节,特别是假如您希望在通道之间实现快速切换、进行准确的测量和保持低功耗。

快速响应

多路复用增加了组合信号的频率含量,这是因为当每次多工器切换通道,多路转换信号都将改变数值。即使输入信号并没有快速地变化,多路转换信号也会快速改变,因此位于多工器之后的任何电路都必须对这些转换做出快速响应。例如,倘若输出信号在读取下一个通道之前未完全稳定至目标准确度,则某个给定通道的测量值会取决于前一个通道的数值,这相当于通道至通道串扰。

由于多工器的导通电阻不是零,因此常常需要采用一个运放来缓冲输出。图 1 示出了一款多路转换的电路,其在 MUX 之前给每个通道布设一个运放,而在 MUX 之后则安置一个共享运放。这里我们考虑的是下游共享运放的性能。

 
Multiplexed system. LT6011 buffers at inputs have high input impedance. The LT6020 after the MUX can slew fast when MUX changes channel. LT6020 special input circuitry avoids voltage glitches at MUX inputs.

图 1:多路转换的系统。位于输入端的 LT6011 缓冲器具有高输入阻抗。位于 MUX 之后的LT6020 能在 MUX 改变通道时快速转换。LT6020 特殊的输入电路可避免在 MUX 输入端上出现电压毛刺。

具有低功耗的运放之速度往往很慢。特别地,运放的摆率通常与运放的电源电流紧密相关。这是因为可用于给内部电容器充电的电流占运放总电源电流的一个固定比例。

另一方面,LT®6020 运放的摆率要比您依据其低电源电流所预计的高得多。该器件实现这一非凡功能的方法是根据输入阶跃的大小来调节摆率,因此大输入阶跃和小输入阶跃的处理速度一样快。 

图 2a 和 2b比较了 LT6020 和一款具有相似功耗的传统运放对于瞬态阶跃响应的影响。对于传统的运放,大信号响应比小信号响应慢得多。然而 LT6020 对一个 10V 阶跃和一个 ±200mV 阶跃的响应一样干净。由于具有这种快速转换和迅速稳定至一个新数值的能力,加上仍然仅吸收 100μA 的电源电流,因而使得 LT6020 成为布设在多工器之后的缓冲器之上佳选择。

 
For small output signals, the LT6020 performs similarly to other op amps of the same power level. The response is dominated by gain bandwidth.

图 2a:对于小的输出信号,LT6020 的运作情况与具有相同功率级别的其他运放相似。响应受增益带宽的支配。

 
For large output signals, the LT6020 preserves signal fidelity compared to other op amps of similar power level. The response is dominated by slew rate.

图 2b:对于大的输出信号,与功率级别相似的其他运放相比,LT6020 维持了信号保真度。响应受摆率的支配。

避免毛刺

即使安放在多工器之后的运放足够快,但还有另一个重要细节常常被忽视。大多数高精度运放都具有跨接在输入级两端的内部保护二极管,旨在避免给输入级上敏感的双极晶体管施加反向偏置。当多工器从一个通道切换至下一个通道时,一个终端上的输入电压快速改变,而输出 (因此包括反馈节点) 则尚未改变。这将导致一个大的电流尖峰流过内部保护二极管。这个电流来自哪里呢? 其一定来自于连接至多工器之输入的电路。如果该电路为高阻抗,或者速度缓慢,那么此电流尖峰将引起一个电压毛刺。系统的输出随后将试图跟随该输入电压毛刺,所以直到此电压毛刺自行化解之后输出才能准确地稳定。

LT6020 运放提供了一款针对该问题的独特解决方案。其输入器件不仅非常准确,而且具备足够的坚固性以容许超过 5V 的反向偏置。于是,负责保护输入的是一对背对背齐纳二极管,而不是内部保护二极管。因此,对于 5V 或以下的输入阶跃,不会出现电流尖峰。如图 3a 和 3b 所示,LT6020 运放在传感器的输出上几乎未引起电压毛刺,而传统的高精度运放 (以 LT6011 为例) 则会引起一个大的电压毛刺。

 
As soon as the control signal (top trace) changes the MUX channel, the LT6020 output (bottom trace) transitions from the voltage on the previous channel to the next channel. The middle trace shows the input to the multiplexer, with almost no voltage glitc

图3a:一旦控制信号 (上方扫迹) 改变 MUX 通道,LT6020输出 (下方扫迹)将从前一个通道上的电压转换至下一个通道。中间的扫迹显示的是至多工器的输入,其几乎没有电压毛刺。

 
Same setup as 3a, but with a conventional op amp after the multiplexer (LT6011). The signal at the input to the multiplexer (middle trace) shows a noticeable glitch due to current flowing through the multiplexer into the protection diodes of the op amp.

图3b:与图 3a相同的配置,但是在多工器之后布设了一个传统运放(LT6011)。至多工器之输入上的信号 (中间扫迹)表明:由于有电流流过多工器并进入运放的保护二极管,因此出现了明显的毛刺。

结论

把高精度信号正确地多路复用为一个输出信号需要谨慎地关注细节。LT6020 利用一组独特的特性简化了多路复用解决方案的设计。例如,其摆率与处于这种低电源电流水平的其他运放相比要快得多,从而使之能够对通道变化做出快速响应。另外,其独特的输入保护方案还可避免出现电流尖峰,而当采用传统的高精度运放时,这种电流尖峰将在通道切换期间引起上游干扰。

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