[参考译文] OPA189：ADC 的 OPAMP 选择

您好、Niclas、

问题1.  对于四个此类分压器、这是一个由电压基准或运算放大器单位增益缓冲器并联馈送的合理假设吗？

如果 REF70XX 基准电压不可用、您可以尝试 使用 REF5025、它能够驱动高达25mA 的电流。 您能否向我展示并联电阻分压器的图像、以说明您将如何将其分频为基准？ 您在寻找参考时遇到了哪些错误？ 我不清楚分压器或增益基准电压后的基准电压是多少。  

问题2：  2.您能否为电阻分压器推荐合适的 OPAMP 单位增益缓冲器？

OPA189可满足您的需求。 我看到 OPA189的性能规格比下表中的其他规格要好。  

供参考、 我们现在有 THP210 SE 到 FDA。 如果您需要 ADC 中的差分输入、可能是一个不错的选择。  

问题3. 是否应该始终为单位增益缓冲器添加反馈电阻器？

OPA189已在 IC 中实现偏置电流消除电路。 您无需在单位增益缓冲器中添加100 300Ω 反馈电阻器。 除非您的电路有一些连接到同相输入引脚的输入阻抗、否则您可以考虑在 单位增益反馈环路上放置一个等效阻抗、以消除输入偏置电流的不平衡。  

问题4. 每个单位增益缓冲器的输出端是否应该有一个 RC 网络？

如果您的输入信号具有高频噪声分量、那么缓冲器输出端的 RC 网络可能会有所帮助。 请确保 RC 极点比 ADC 采样频率高十倍频(至少)。 否则、它可能会衰减输入信号。

问题5. 对于仪器的2.5V 基准、有时最好使用 OPAMP 缓冲器。 OPA350通常用作示例、例如在 ADS1256 EVM 中、但目前是否有更新的、性能更高的运算放大器？

REF70xx 系列的性能规格比 REF50XX 系列略高、但它们都能够提供25mA 的拉电流/灌电流。 OPA350可以拉/灌高达40mA 的电流。 如果电压基准具有非常轻的负载(例如25mA 的10%)、则无需使用 OPA350运算放大器进行缓冲。 OPA350在典型 Vos 规格中可能具有高达+/-150uV 的电压、在较高温度下可能具有高达0.5mV 至1mV 的电压。 如果您不需要、我不会缓冲基准。  

如果您有其他问题、请告知我们。

最棒的

Raymond

您好、Niclas、

除了我的同事 Raymond 出色的回答之外、这里还对您的问题进行了一些额外的讨论。 希望在 Raymond 和我的回答之间、我们能够加深您的理解。

问题：

我假设每个电阻分压器上大约10k 欧姆是2.5V 基准上的低负载和低源电阻之间的良好折衷。 对于四个此类分压器、这是一个由电压基准或运算放大器单位增益缓冲器并联馈送的合理假设吗？ (总负载为1mA。)

当然、您连接到基准输出的负载需要符合基准提供负载电流的能力、而不会被负载降至它未提供所需基准电压特性的程度。 大多数运算放大器将轻松驱动1mA 负载、并且通常 会显著增加。 运算放大器通常用作基准缓冲器并提供低阻抗源。 但是、如果您计划在其输出端增加一个大电容、则可能会变得不稳定、需要进行补偿以使其稳定。

2.您能否为电阻分压器推荐合适的 OPAMP 单位增益缓冲器？ 如果我理解正确、那么此类运算放大器必须设计为与高输入阻抗一起工作、这样才能排除一些零漂移、低噪声运算放大器？ 我目前正在查看 OPA189/OPA2189、但是否有其他更适合这种情况的器件？

OPA189/OPA2189是 一款基于高级斩波架构的零漂移设计。 它具有极低的电压偏移和漂移、但由于它在信号路径中使用开关、并且内部开关元件之间的电荷传输可能会产生电流噪声尖峰。 当运算放大器的输入电流流经高电阻时、该电流噪声可转换为可注意的电压噪声。 10k 电阻位于可能成为问题的区域。  我更喜欢使用 OPA192/OPA2192等 TI 的 CMOS e-trim 运算放大器之一。 它们也表现出极低的偏移和漂移、并且不依赖于信号路径内的开关来实现这些属性。 对于 OPA192/OPA2192、10k 或更高的电阻不会成为问题、除非电阻器自然产生的热噪声。

3.您是否应该始终为单位增益缓冲器添加反馈电阻器？ 根据经验、100至330欧姆是否合适、或者它是否与电阻分压器的输入阻抗相匹配？

大多数情况下、无需或希望在缓冲器反馈环路中添加电阻器。 在某些情况下、添加反馈电阻有助于提高稳定性、但它通常会降低相位裕度并导致不稳定。 它实际上归结为特定的运算放大器开环增益和开环输出阻抗(Zo)特性、以及输出上的负载、以及 何时适合添加反馈电阻器。

4.每个单位增益缓冲器的输出端是否应该有一个 RC 网络？

我假设您正在讨论从运算放大器输出端连接到接地端的串联 RC？ 这称为 Zobel 网络、在某些情况下添加该网络是为了在运算放大器输出中添加某些类型的负载时提高相位裕度和稳定性特性。 这通常是不必要的。 它往往与功率运算放大器搭配使用、驱动的特定负载不仅是电阻性负载、而且也是无功负载。 您的应用可能不需要这种类型的网络。

5.对于仪器的2.5V 基准、有时最好使用 OPAMP 缓冲器。 OPA350通常用作示例、例如在 ADS1256 EVM 中、但目前是否有更新的、性能更高的运算放大器？ REF70xx 系列尚不可用、REF60xx 不是首选。

OPA350是一款出色的缓冲器、几乎可驱动任何级别的输出电容并保持稳定。 OPA320是性能上仅次于 OPA350的运算放大器、也是更现代的运算放大器。 它通常用于驱动 ADS 的基准引脚和输入引脚。

请勿将我重定向回数据转换器论坛。

嗯、这取决于你对我们的款待是多么好！

此致、Thomas

精密放大器应用工程

非常感谢大家的出色回答。

我是否也可以请您对计划的方法发表意见？ 是否有更好和/或更简单的方法来实现这一点、例如使用 MDAC 可编程衰减器？

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本产品是具有以下硬件功能的手持仪器的更新：

ADS1256 24位 Δ-Σ ADC 可在具有或不具有输入缓冲器以及单端或差分输入的情况下运行。

在没有缓冲器的情况下、其最大范围为0V 至5V ("最低"轨裕度、在我们的情况下、由稍低的电源电压(4.85V)供电。

借助缓冲器、其最大范围为0V 至[电源电压- 2V]、因此0V 至2.85V"最低"(GND)轨裕度。

它具有 PGA、可在1：1至64：1范围内以"二进制阶跃"放大输入信号。 使用 PGA 进行差分测量可能更有意义。

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MCU 12位 SAR ADC 可使用单端或差动输入运行。 它没有 PGA、AFAIK 没有输入缓冲器。 我们可能会添加外部差分 PGA。

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这两个电压都将由2.5V 基准电压供电(一个通用电压基准或两个单独电压基准待定)。 在当前设计中、它是 MAX6126、但一旦可用、它将被 REF7025替换。 该基准电压还可能分布到一个或两个惠斯通电桥、在这种情况下、OPA350 (或 OPA320？) 是优秀的候选人。

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该仪器的电流生成主要进行(基于 GND) S-E 测量、但我的目标是将所有或大多数测量更改为差分测量。 对于该仪器、我们需要一个外部校准装置、该装置可以为3个连接器中总共5个连接"点"提供所有适用的校准基准电压电平：

 ADS1256的两个输入与 ADS1256-GND
2A。 ADS1256的三个输入与 ADS1256-GND
2b. 具有系统(数字) GND 的 MCU SAR 的两个输入
3A。 ADS1256的三个输入与 ADS1256-GND
3b. 具有系统(数字) GND 的 MCU SAR 的两个输入

ADS1256可以处理超范围、但未指定其在此区域中的性能。 因此、校准电压电平必须小于全范围(但至少为全范围的80%)。 我假设 MCU SAR 不能超出范围。 从现在开始、我将说明标称电压电平(这更具教学学性)、但请记住、它们实际上必须略低。

由于我们一次只需要校准一(对)个输入、因此从16个电压电平输入扇入2个"电源轨"、然后扇出到16个输出(用于连接仪器的连接器)似乎很实用。 总共将使用5个双线圈继电器(EA2-12TNJ)将校准板 GND 切换至仪器连接器 GND。 该继电器用于 Keithley 2000 DMM、因此对我们来说足够好了。 TI 的 TMUX1108本来是一个不错的选择、但 MAX14661 2：16开关多路复用器更具通用性。

因此、为了进行校准、我计划使用以下电压电平：

1.4.096V 基准电压升高0.25V (由 LT3021 LDO 提供)(差动)

2.5V 基准电压由相同的0.25V (差分)升高
  (这两个接近全范围的电平是否位于 LDO (比精密基准低稳定)上无关紧要、因为它应该是共模？)

来自 GND 的3.2.5V 基准电压、可提供多个电阻分压器(当前由 OPA2192缓冲)
  桥臂1：四组"3电阻分压器"、产生1.25V、0.625V、0.3125V 和0.15625V (0.078125V 未切断)、以1.25V (差分)为中心
  桥臂2：三组"2电阻分压器"、可从 GND (S-E)生成1.25V、0.3125V 和0.15625V (0.625V 可从"DIFF"桥臂获取)

4.4.096V 基准电压来自 GND (S-E)

来自 GND (S-E)的5.2.5V 基准

我最初设计的是标称值、在许多情况下、这些值会限制您对总分压器电阻的自由度。
BTW、TI 有一个在线电阻分压器计算器、如果您需要标称值、该计算器非常方便：
www.ti.com/.../volt_div3.htm

但是、当设计的电压电平低于标称电压电平时、我们将能够选择符合我们需求的电阻。 我认为、2.5V (1mA 负载)的四个10k 分压器是在低负载与噪声易感性之间进行合理权衡的方法、但可能我应该选择较低的电阻来降低热噪声。

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您是否还知道、在什么电压水平下、热电效应会产生真正的影响？

此致
Niclas

您好、Niclas、

这当然是需要考虑的大量信息。  您采用的设计经过验证、可   为您提供工作和改进的基础。 由于 Raymond 和我不是您系统设计的专家、因此我们很难提供具体建议来提高系统性能。 但是、如果您想要整合需要精密运算放大器的特定更改、那么我们当然可以在这方面提供最佳帮助。

您在结尾提出一个问题："您是否还知道热电效应在哪个电压电平下会产生真正的影响？"  您是否在谈论过在两种不同金属接触的点、温度梯度可能无意中形成的分钟热电偶？ 几年前、我的一位同事对 PC 板热电偶对失调电压的影响进行了调查。 我附上的信息是整个演示文稿的一部分。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

e2e.ti.com/.../Parasitics-in-Precision-PCB-Layouts_5F00_Feb2013.pdf

尊敬的 Thomas：

感谢您对寄生效应的介绍。

有另一种方法可以用我的 ADC 校准问题来表述：TI 是否有一份应用手册或其他一些有关 ADC 校准最佳实践的文档？ TI 是领先的制造商。 当然、您有很多智慧来分享这个话题吗？

它可能是50%的放大器和50%的数据转换器、因此联合响应可能会有成效吗？

此致

Niclas

您好、Niclas、

以下是一些可能有所帮助的 ADC 信息。  

https://www.ti.com/lit/an/spraad8a/spraad8a.pdf?ts=1616532568059&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fsitesearch%252Fdocs%252Funiversalsearch.tsp%253FsearchTerm%253Dadc%2Bcalibration%2Bnote

https://training.ti.com/ti-precision-labs-adcs-understanding-and-calibrating-offset-and-gain-adc-systems

https://www.ti.com/europe/downloads/f2810_12_calibration_10.pdf

如果您有其他问题、请告知我们。  

最棒的

Raymond