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[参考译文] ADS4225:ADC 缓冲候选放大器;缓冲运算放大器的共模电压

Guru**** 689970 points
Other Parts Discussed in Thread: LMH6882, THS4541, ADS4225, LMH6881, OPA659, LMH6518, OPA859, TINA-TI
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/data-converters-group/data-converters/f/data-converters-forum/779962/ads4225-adc-buffer-candidate-common-mode-voltage-of-the-buffer-opamp

器件型号:ADS4225
主题中讨论的其他器件:LMH6882THS4541LMH6881OPA659LMH6518OPA859TINA-TI

大家好、因为您知道这个 ADC 没有内部缓冲器、所以我必须自己找到一个缓冲器。 在过去的几天里、我一直在研究示波器前端的想法、找到合适的候选人真的很难。

我希望耦合为直流和交流、因此不能使用变压器。 我希望最小输入信号为10mVpp、考虑到 ADC 最大输入的2V、这意味着200x 或46dB。

我喜欢采用级联拓扑的 LMH6882、其最大增益为26dB*2=52dB、考虑到额外的6dB ADC 可编程增益、该增益大于我的预期、但考虑到我可以使用 SPI 来设置所需的值、因此看起来不错。 另外、在上一个我的问题中、您建议 THS4541看起来与共模电压匹配(是吗?)。

现在、ADS4225需要0.95V (+/-0.05V)的共模电压、以便共模电压恰好在其动态范围内居中、因此接收到具有零偏移的对称波形将平均利用 ADC 的动态范围。 但是、这要求所需的缓冲运算放大器必须能够在该共模电压下运行。 我知道、这些运算放大器通常具有直接与 ADC 的共模电压输出引脚连接的输入、因此我们可以实现完全匹配、从而避免出现不好的情况。

考虑到 ADS4225的全差动缓冲器、我看到了 LMH6882、正如我之前所说的那样。 遗憾的是、该运算放大器的共模电压输出并不接近于 ADS4225所需的1V (0.95V)。 相反、如第22页(顶部)所示、LMH6882输出端的共模电压为2-3V (输入 CMV 引脚1-1.5V + 6dB 增益)。 另一方面、THS4541似乎更接近 CM 要求。

THS4541能否用作 ADC 的直接缓冲器、而驱动 THS4541的 LMH6882?

在满足 ADC 的 CMV 要求的同时、哪种运算放大器是驱动该 ADC 的合适选择、我对此有些困惑。

我之前所考虑的 DSO 前端的基本原理图就是这样。 探针将是差分探针(某种类型)。

*当然,我知道必须计算每个阶段的噪声,并最终计算总噪声。 鉴于我计算出的1.26mV 最小信号、可能会有很多噪声、但我不打算这么低。

您可以提供帮助吗?

此致

Manos Tsachalidis

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    你(们)好、Manos
    我已就您的问题通知 ADS4225专家。
    他很快会作出更详细的回应。
    此致、
    Jim B
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    Emmanouil、您好!

    很抱歉耽误你的答复。

    您应该能够通过对 LMH6881电源进行电平转换将 LMH6881输出直接耦合到 ADS4225输入中。

    对于0.95V ADC 输入 CM、LMH6881电源可设置为+3.5V/-1.5V、以使放大器输出 CM 与 ADC 保持中心。 然后、需要将 LMH6881 VCM 设置为0.475V、以实现放大器 VCM 引脚到其输出的两倍增益。

    在对 LMH6881电源进行电平转换时需要注意的一点是、用于增益调节的数字控制需要参考-1.5V 的负电源。 如果您决定采用这种方法、我们应该能够为数字逻辑控制推荐合适的电平转换器。

    我认为、在级联多个级时、噪声可能是一个问题、因为第一级的噪声除了来自后续级的噪声贡献之外、还通过信号链中的总增益来增益。 为了提高 OPA659 FET 输入级之后的噪声性能、您需要在 OPA659之后设置该级中的大多数增益、这将限制后续级产生的噪声。 因此、就限制 ADC 前端的噪声贡献而言、需要将第一个 LMH6881的最大增益设置为26dB、然后将第二个 LMH6881的增益设置为10dB 或更低的增益。

    如果您希望在 OPA659之后立即使用单个器件设置所有增益、那么 LMH6518也是一个选项。

    请告诉我这是否提供了信号链的一些可视性。

    此致、
    Rohit
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    感谢 Rohit 给您的消息、

    我或多或少都很清楚共模电压选项是什么。

    但是、关于噪声、它看起来不是很好。

    LMH6881/2中使用的电阻器的热噪声是否包含在噪声频谱密度值中? 我应该担心这些问题吗?

    由于我们讨论的是50或100欧姆运算放大器输入/输出、我猜增益和反馈电阻器的值会很低、与电流噪声一起不会产生很大的额外噪声。

    假设我在 Excel 工作表中计算运算放大器的多个级、以便能够具有可容忍噪声水平的高带宽。

    通过一个或两个级提高增益会使带宽变差、因此我必须在这里进行放大。 在低噪声前端内使用运算放大器的常见做法是什么? 使用了多少?

    此外、我很难计算将出现在 ADC 输入之前(RC 滤波器之后)的 RMS 噪声总量。 我不知道如何为单个运算放大器级计算噪声、但当涉及多个级时、我会有点困惑。 让我更具体一点、这样您就可以消除我的顾虑:

    增益为#1=0dB、#2=26dB、#3=14dB 和#4=6dB (总增益= 26+14+6=46dB)

    BW (增益0dB)为#1=1GHz、#2=2.4GHz、#3=2.4GHz、#4=1.8GHz

    BW (根据应用增益)为#1=1GHz、#2=120MHz、#3=479MHz 和#4=900MHz

    RC BW -3dB = 120MHz

    示例:带宽为100MHz 且增益为0dB 的运算放大器。

    *为简单起见,我们假设下面提到的电压噪声密度已经包括电流噪声(转换为电压噪声)、电阻器热噪声(如果有)和1/f 噪声。

    如果运算放大器的电压噪声密度(始终参考其输入)为5nV/√Hz、则输出噪声为:5nV *√100MHz *增益(1x)= 50μV μ V RMS

    现在、如果增益为20dB (10x)、则 BW 会偏离10、现在为10MHz、因此输出噪声现在为:5nV *√10MHz *增益(10x)= 158μV μ V RMS

    我的问题是:RC 滤波器输出端的噪声是多少?

    我正在思考... 我应该计算所有运算放大器1、2、3、4和 RC 的总带宽、然后将运算放大器1的输入噪声与所有运算放大器和 RC 滤波器的组合带宽的平方根相乘。

    然后、计算运算放大器#2的输入噪声、并与运算放大器2、3、4和 RC 的带宽的平方根相乘。 然后对运算放大器#3和#4执行相同的操作。

    最终根据 foormula 合并所有电压噪声值:

    您能否确认我的想法是否正确?

    据我所知、多个运算放大器带宽的计算公式如下:

    如果基于 GBP (增益* BW = GBP)的增益大于1、则必须首先将上述公式中的每个带宽值重新计算为正确的带宽

    带宽(增益:0dB)= 1GHz、带宽(增益:20dB)= 100MHz。 因此、100MHz 是用于体重=1GHz @增益:0dB 的运算放大器的正确体重值

    RC 滤波器带宽如何? 这会如何影响整体带宽? 它是1极滤波器、因此它就像运算放大器的增益滚降20dB/十倍频程一样。

    如果 RC 带宽是沿运算放大器带宽计算的、那么上面计算总带宽的公式是否正确? 对此有任何建议吗?

    由于我在此项目中仅考虑 TI 组件、我希望您能提供一些额外的帮助。

    您可以确认吗?

    此致

    Emmanouil Tsachalidis

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    Emmanouil、您好!

    您应该能够计算信号链的总级联噪声贡献、如下所示:

    VOUT_Noise (tot)^2 =[(Vin_noise1*AV1)^2 + Vin_noise2^2]*(AV2^2)+...

    其中、

    VOUT_Noise (tot)=信号链的总输出参考 rms 噪声、单位为 nV/rtHz

    VIN_noise1 =以 nV/rtHz 为单位的第一级的输入参考 rms 噪声

    AV1 =(V/V)中第一级的电压增益

    VIN_noise2 =第二级的输入参考 rms 噪声、单位为 nV/rtHz

    AV2 =中第二级的电压增益(V/V)

    因此、如果您知道每个级的输入基准电压噪声、那么两级的级联噪声是第一级的输出基准噪声(Vin_noise1*AV1)^2、与第二级的输入基准噪声(Vin_noise^2)以 rms 方式添加。 在到达 ADC 前端之前、可以对后续级重复此过程

    请记住、Vout_Noise (tot)^2的单位为 V^2/Hz、这本质上是噪声频谱密度。 因此、如果您要转换为120MHz 噪声功率带宽的电压噪声、则必须取 Vout_noise (tot)的平方根、并将结果与 sqrt (BW)相乘。

    理论上、前端产生的总噪声贡献变为= sqrt (Vout_noise (tot)^2 x BW)。 Vrms

    我已附上一个 Excel 电子表格、可让您计算前端的总噪声贡献 由于模拟前端、计算得出的总噪声贡献为~ 300uVrms。

    e2e.ti.com/.../NoiseAnalysis_5F00_OPA659_2B00_LMH6881_5F00_031419.xlsx

    如果有问题、请告诉我。

    此致、

    Rohit

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    您好、Rohit、

    我非常感谢你能抽出时间。

    您组合在一起的 Excel 工作表是一个很好的帮助。

    我一直在观看有关运算放大器噪声的 TI 视频、但也阅读了一些我在互联网上找到的应用手册。

    我的计算中没有使用 NF。 尽管如此、我还是根据前两级计算了总噪声、因为它们是主要噪声、结果是相同的。

    两者之间的差别不大,但这一点并不重要。 请参阅随附的 Excel。

    随函附上: e2e.ti.com/.../TI_5F00_NoiseAnalysis_5F00_OPA659_2B00_LMH6881_5F00_031419.xlsx

    您可能会看到 ADC 产生的 SNR 很混乱、对于12位 DSO 而言是不可接受的。 将 OPA659替换为 OPA859、将 LMH6881替换为 LMH6518可实现明显的改进、但这种改进甚至不好。

    这种情况只在前端增益较高的低电压标度下发生、但这会破坏 ADC 区分低电平信号和噪声的能力。

    我本来希望降低到1mV/Div、但即使是使用 OPA859和 LMH6518也会产生噪声、我也看不出这是怎么可能的。

    通过替换运算放大器候选项提高噪声性能后、SNR 为41dB @ 46dB 增益、不包括高电压输入衰减器的热噪声。

    这应该是正常的吗? 我是说、当良好示波器的前端设置为其最高增益时、它的 SNR 是多少?

    我还能做些什么来提高噪声性能吗?

    此致

    Manos

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    Emmanouil、您好!

    我建议您不要尝试在 Excel 中进行噪声计算、而是尝试使用所有这些组件在 TINA-TI 中重新创建您的电路设计。 这样做不仅可以清楚地进行噪声和增益计算、还可以立即调整和更改组件以查看其影响。 改善噪声是一项复杂而棘手的任务、但您一直观看的精密放大器视频中对此进行了详细介绍。

    这是一个有关使用 FDA 进行噪声分析的视频。
    training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-fully-differential-amplifiers-noise-analysis-advanced-compensation

    您提到的每个组件的 TINA 文件都位于每个产品的工具和软件文件夹下。 您可以在 TINA 中重新创建电路、然后按照 TI 高精度实验室视频计算噪声和输出。 这样做后、您还将更好地了解您在寻找器件方面的具体细节。 在 TINA 中重新创建电路后、继续操作并将其发布在这里、这样我也可以使用它来查看我是否可以提供帮助。

    谢谢!
    卡兰
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    我谨真诚地感谢大家提出的建议以及您发表答复所花的时间。

    此致

    Manos Tsachalidis