如何设计精密运算放大器 实现低功耗的快速多路复用

如果您正在设计一个测量多个模拟电压但不能同时测量所有模拟电压的系统，您可以通过将测量多路复用为单个输出信号来减少下游电路，然后使用共享组件对原始电压电平进行串行处理和数字化。好处是信号链组件的数量和大小只是每通道设计所需的数量和大小的一小部分。正确实施多路复用解决方案需要注意一些细节，特别是如果您想在通道之间快速切换，准确测量并保持低功耗。

快速响应

多路复用增加了组合信号的频率成分，因为每次多路复用器切换信道时，多路复用信号会改变值。即使输入信号没有快速变化，多路复用信号也会发生变化，因此多路复用器之后的任何电路都必须快速响应这些转换。例如，如果在读取下一个通道之前输出信号没有完全稳定到目标精度，那么给定通道的测量值可能取决于前一个通道的值，相当于通道间串扰。/p>

由于多路复用器具有非零导通电阻，因此通常需要使用运算放大器缓冲输出。图1显示了一个多路复用电路，在MUX之前具有每通道运算放大器，之后是一个共用运算放大器。这是我们在此考虑的共享下游运算放大器的性能。

图1。多路复用系统。输入端的LT6011缓冲器具有高输入阻抗。当MUX改变通道时，MUX后的LT6020可以快速摆动。 LT6020特殊输入电路可避免MUX输入端的电压毛刺。

低功耗的运算放大器往往速度较慢。特别是，运算放大器压摆率通常与运算放大器电源电流密切相关。这是因为可用于为内部电容充电的电流是运算放大器总电源电流的固定比例。

另一方面，LT6020运算放大器具有比您预期的更高的压摆率。它的低电源电流。它通过根据输入步长调整转换速率来实现这一壮举，因此大输入步骤的处理速度与输入步长一样快。

图2a和2b显示了对瞬态阶跃响应的影响LT6020与功耗相近的传统运算放大器相比。对于传统运算放大器，大信号响应比小信号响应慢得多。然而，LT6020的响应速度与10V步进相同，步长为±200mV。这种快速转换并快速稳定到新值的能力，同时仍然只消耗100μA的电源电流，使得LT6020成为多路复用器之后的缓冲器的理想选择。

避免毛刺

即使多路复用器后面的运算放大器足够快，还有一个经常被忽视的重要细节。大多数精密运算放大器在输入级都有内部保护二极管，以避免在输入级反向偏置敏感的双极晶体管。

当多路复用器从一个通道切换到下一个通道时，一个端子的输入电压变化很快，输出（因此反馈节点）尚未更改。这导致大电流尖峰流过内部保护二极管。那股潮流来自哪里？它必须来自连接到多路复用器输入的电路。如果该电路是高阻抗或慢，则该电流尖峰会引起电压毛刺。然后，系统的输出会尝试跟随输入电压毛刺，这样输出就无法准确稳定，直到电压毛刺自身消失为止。

LT6020运算放大器为这个问题提供了独特的解决方案。它的输入设备非常精确，但也足够强大，允许超过5V的反向偏置。因此，一对背靠背齐纳二极管不是内部保护二极管，而是保护输入。因此，对于5V或更低的输入步长，不会出现电流尖峰。图3a和3b显示LT6020运算放大器在传感器输出端几乎不会产生电压毛刺，而传统的精密运算放大器（LT6011如图所示）会导致大电压毛刺。

结论

将精确信号正确地复用为一个输出信号需要特别注意细节。 LT6020运算放大器通过一系列独特功能简化了多路复用解决方案的设计。例如，在这种低电源电流水平下，其压摆率比其他运算放大器快得多，使其能够快速响应通道变化。此外，其独特的输入保护方案可避免在使用传统精密运算放大器进行通道切换期间导致上游毛刺的电流尖峰。