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[参考译文] TLE2141：ADC 输入的缩放和偏置交流信号

admin
Guru**** 1810440 points
Other Parts Discussed in Thread: TLE2141, TLC2272, REF2033, OPA196
请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/718917/tle2141-scaling-and-biasing-a-c-signal-for-adc-input

器件型号：TLE2141
主题中讨论的其他器件： TLC2272、 REF2033、 OPA196

我必须调节一个低频(1Hz - 150Hz)信号、此信号 在 高于和低于信号接地的最大值3.5V 范围内波动。 调节的目的是将信号转换为0至3.3V、以便可以由我的微控制器上的 ADC 读取。 我的电源轨是+/-5V 分离式。

我有两个问题：(a)确保发送到 ADC 的信号具有0至3.3V 的最大动态范围、但 不会超出-0.5V 至5.0V 的"无损坏"范围；(b)对信号进行偏移、以便我可以将零输入电平调整为1.65V。

我在下面展示了我尝试的解决方案。 这必须是一个常见的问题、因此我想知道是否有更好的方法来实现它？ 具体而言、是否有"标准"方法来生成稳定的1.65V 电压、该电压可灌/拉200µA μ A 电流？ TLE2141 (低噪声)是1.65V 缓冲器的理想运算放大器选择吗？

电路说明：U3A 允许将输入缩放至增益4。 U3A 的最大输出 为10V 峰间值。  U4是一款差分放大器、可将此输入下调至、衰减为3.3V/10V (正如您在仿真中看到的、6.86Vpk-pk 输入在输出端提供3.21Vpk-pk)。 U5的用途是提供1.65V 的偏置电压、并具有一些可调节性以消除任何系统偏移误差。 偏置与 U4的增益无关。

最后一个问题。 我已经为 U3选择了同相放大器。 在该位置使用反相放大器是否有任何优势？ 我尝试最大程度地降低噪声并保持稳定性。

谢谢你。

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    TI__Guru**** 1810440 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    D B17您好、

    一般而言、您的电路看起来会实现您的预期。

    TLC2272 U3A 级有一些令人困惑的东西、您可以帮助澄清。 该功率级的增益为+4V/V 、并且 Vin 注释中关于最大+3.5V、最小-3.5V。是预期的输入电压范围还是输出电压范围？ 如果我们假设这是输出范围、则最大输入 U3A 输入电压将为+/-0.875V。否则、如果输入电压变得大得多、输出将削波。

    我继续在我们的 TINA 仿真器中设置您的电路。 输入为+/-0.875Vpk 至 U3A、输出为+/-3.5V Vpk。 运算放大器的电压偏移起作用、并将偏移引入信号路径、但总的来说、通过电路的增益会导致大约2.5 Vp-p 的输出电压、中心电压大约为1.85V。VM4输出、 这将连接到 ADC 输入摆幅、范围约为+0.5V 至+3.1V。可以增大输入 U3A 输入电压以获得更接近所需0V 至3.3V 的摆幅范围、但 TLE2141正输出限制可能会成为一个问题。 有许多较新的运算放大器可以摆动到更靠近电源轨的位置。

    关于您的问题、 我已经为 U3选择了同相放大器。 在该位置使用反相放大器是否有任何优势？ 我正在尝试最大程度地降低噪声并保持稳定性。" TLE2141是单位增益稳定的放大器、输出端的 RC 负载应会造成稳定性问题、因为100欧姆电阻可充分隔离输出端的330欧姆电阻。 此负载不应导致太多的相位裕度降级。

    我确实对精确且易于应用的+1.65V 基准有一个想法。 REF2033是一款具有非常有用功能的精密+3.3V 基准。 它的 Vbias 输出为3.3V Vref 电压或1.65V 的1/2。它可提供精确的+1.65V 输出、无需调整电位器和运算放大器之一。

    此致、Thomas

    精密放大器应用工程

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    TI__Guru**** 1810440 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    你(们)好。 感谢您花时间在您的仿真器中重现我的电路。 非常感谢您的努力和支持。

    您写道："对于 TLC2272 U3A 级、有一些困惑、您可以帮助澄清。 该功率级的增益为+4V/V 、并且 Vin 注释中关于最大+3.5V、最小-3.5V。是预期的输入电压范围还是输出电压范围？ 如果我们假设这是输出范围、则最大输入 U3A 输入电压将为+/-0.875V。否则、如果输入电压变得大得多、则输出将削波。"

    我的说明：+/- 3.5V 是 U3A 输入的最大值。 不过、通常情况下、输入将小于此值。 我不确定输入值是多少、因此我需要可调增益。

    您使用的值+/-0.875是很可能的。 在本例中、我希望增加增益、以便在 ADC 上获得良好的动态范围。 您的电路上的 R1为22.5K。 在我的电路上、该电阻器的值可以在3.3k 和23.3k 之间变化。 您能否将 R1的值调整为23.3K、以便我们的电路匹配？

    (如果 U3A 的输入具有更大的振幅、例如+/-2V、那么我会将 U3A 的增益调整为略小于+2.5V/V TLC2272为 RRO 并且可摆动至两个电源轨、所以它不应与这个增益一起削波。 但现在、让我们坚持输入+/-0.875V。)

    U3A 的输出将具有+/-峰值(1 + 23.3/7.5)* 0.875V 和0V 中心。 您可以在电路中添加1.65V 的偏置电压。 但输出 VM4的偏置电压为1.84V。 这让我很困惑… U4是差分放大器、因此添加的偏置电压应与放大器增益无关。 1.84V 来自哪里？

    在您的电路上、当 VG1=0、VM3=0且 VM5=1.65时。 因此 VM1 = 1.65*100k/(100k + 33k)= 1.24V。 但在您的图中、它显示 VM1=1.33V。 我缺少什么？

    再次感谢 Thomas。

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    TI__Guru**** 1810440 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    D B17您好、

    您的问题：

    U3A 的输出将具有+/-峰值(1 + 23.3/7.5)* 0.875V 和0V 中心。 您可以在电路中添加1.65V 的偏置电压。 但输出 VM4的偏置电压为1.84V。 这让我很困惑… U4是差分放大器、因此添加的偏置电压应与放大器增益无关。 1.84V 来自哪里？

    我检查了仿真电路、您答对了、某些电压电平、如1.84V 是不合理的。 它太高、不能由运算放大器电压偏移或其他一些小误差因素引起。 我发现它是由不完美的 TLE2141仿真模型导致的。 如果1.65V 基准缓冲器与电路的其余部分断开连接、输出电压将变为+1.65V、这是正确的。

    TLE2141是一款较旧的运算放大器、其仿真模型是一款简单的 Boyle 模型、日期为1990年。 尽管当时的技术水平很好，但自那时以来，模型取得了显著进展。 我使用现代精密放大器 OPA196重新运行仿真。 它具有最新、最复杂的运算放大器模型设计、可提供准确的结果。 在下面、您可以看到使用这种现代运算放大器模型进行仿真的不同之处。 请注意、我已根据您的请求将输入增益级中的反馈电阻器更改为23.3千欧。 蓝色显示的电路原理图电压用于直流仿真。

     在您的电路上、当 VG1=0、VM3=0且 VM5=1.65时。 因此 VM1 = 1.65*100k/(100k + 33k)= 1.24V。 但在您的图中、它显示 VM1=1.33V。 我缺少什么？

    您可以看到、对于电路中的 OPA196运算放大器、VM1现在是正确的+1.24V 电平。

    但愿这对您有所帮助。

    此致、Thomas

    精密放大器应用工程

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    TI__Guru**** 1810440 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。
    这是一个安慰、Thomas、谢谢您！ 我很高兴我们的计算结果匹配。 感谢您的解决。 我将为 OPA196添加书签以供将来工作。

    在结束本专题之前，我有一个附属问题，从这个问题开始。 对于我目前的项目、我只能使用 DIP 封装。 我将在您的电路位置 U2和 U3中尝试 TL071AN。 请问对于 U2和差分放大器 U3、TL071AN 的单位增益是否稳定？
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    TI__Guru**** 1810440 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。
    D B17您好、

    TL071AN 是单位增益稳定的运算放大器、数据表如图 提供了一个连接为单位增益放大器的示例。 1.65V 单位增益缓冲器不应有任何问题、因为其输出在实际电路中可能不会看到超过几皮法的电容。

    在差分放大器级中应用 TL071AN 时、其噪声增益实际上大于1V/V 仅330皮法拉可能会使相位裕度降低到该级略微稳定或可能不稳定的位置。 但是、将100欧姆串联输出电阻器安装到位可有效地将运算放大器输出与330pF 隔离。 在这种情况下、相位裕度降级应该很小、并且该级应该是稳定的。

    此致、Thomas
    精密放大器应用工程
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    TI__Guru**** 1810440 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。
    再次感谢。 非常感谢您的关注和快速响应。 祝您度过美好的一天！