浅谈信号路径性能的加强
为传感器提供缓冲
若传感器无法驱动模拟/数字转换器的电容负载,可以利用运算放大器为其提供缓冲。由于许多应用系统都规定只可采用一个电源供应,因此所选运算放大器的工作电压必须与模拟/数字转换器的电压相同,这一点非常重要。虽然共用供电电压有助于精简系统设计,节省成本,但运算放大器因为受供电电压的掣肘,以致其输入输出能力无法得到充分发挥。以 adc121s101为例,由于芯片的参考电压 (vref) 也同时是供电电压,因此选用设有轨到轨输出 (rro) 功能的运算放大器如 lmp2011 较为理想。因为 lmp2011 放大器芯片设有轨到轨输出功能,所以系统设计工程师可以利用模拟/数字转换器的整个动态范围,以确保可以使用所有输出代码。
选定具备适当输入/输出能力的运算放大器之后,便要考量放大器的增益带宽。若信号源的最高输出低于参考电压,缓冲级便可能需要为其提供增益。若运算放大器配置为单位增益放大器,其频率会受增益带宽积 (gbwp) 所限,以致只能选用 3db频率。由于运算放大器的增益带宽积属于不变的常数,因此我们只要采用增益为 acl 的闭环配置便可降低放大器的带宽,降幅高达 acl 倍,其计算公式为：
由于闭环带宽与放大器的频率同样是 3db,放大器若以这个频率操作,其输出是输入值的 70.7%,因此若以 3db 频率作为基准衡量,输出振幅的误差会高达 29.3%。模拟/数字转换器的误差以最低有效位 (lsb) 作为计算单位。1 lsb定义为 vref/2n,定义中的 vref 为参考电压,而 n 则是模拟/数字转换器的分辨度。例如,8 位模拟/数字转换器的 1 lsb 是 vref/256。对于模拟/数字转换器最低有效位准确度必须高达 1/2 lsb的系统来说,8 位模拟/数字转换器的输入增益准确度必须高达 1 1/2n+1,亦即 99.8%。为了保证运算放大器的增益准确度足以满足系统的特定要求,必须计算出运算放大器的最高操作频率 (fmax)。先假定运算放大器的频率大约相当于单极滤波器的频率响应。图 1 所示的曲线图显示增益 (av) 及 3db 频率 (fo) 已按照 1 加以规范化。以下是这条曲线的公式：
