用輸入箝位放大器來替代輸出箝位運(yùn)算放大器

出處：louyoung 發(fā)布于：2007-05-25 10:41:32

引言

諸如超聲及成像這樣的系統(tǒng)有時會發(fā)生模擬信號達(dá)到電壓極值的過沖現(xiàn)象。然而，許多下行流電路（如A/D激勵器）對模擬輸入信號電平進(jìn)行了限制，以保持其性能。這些器件能夠在過激勵條件下吸收多余的電流，或者被激勵至一個需要較長恢復(fù)時間的飽和區(qū)。

在這些系統(tǒng)中可以采用各種箝位放大器來限制其輸出端的信號偏移，用以保護(hù)下行流器件。迄今為止，大多數(shù)箝位放大器均基于輸出箝位結(jié)構(gòu)，因此被稱為輸出箝位放大器（OCA）。而另一種被稱為輸入箝位放大器（ICA）的新型架構(gòu)則能夠?qū)崿F(xiàn)更高的箝位和更低的失真度。

Analog Devices公司首批推出的兩款輸入箝位放大器AD8036和AD8037在操作中均采用了ICA結(jié)構(gòu)。但是，由于它們在操作上的差異（除了操作增益為+1的電路以外），把ICA代入采用OCA實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)中并不是一種“插入式”（drop-in）替換，盡管各部分的引出線是相同的。然而，因?yàn)橐鼍€是相同的，故所需的電路改進(jìn)一般來說成本不會太高。不過，每種配置的處理都必須視具體情況而定。下文將詳細(xì)說明進(jìn)行這種替換需要考慮的問題。

反相操作

首先需要考慮的是運(yùn)算放大器的操作極性。AD8036和AD8037的輸入箝位運(yùn)算放大器架構(gòu)不工作于反相模式。因此，不可能直接在反相配置中用ICA來替換OCA。為了在反相應(yīng)用中利用ICA優(yōu)越的箝位特性，需要一個單獨(dú)的反相級。

圖1示出了一個采用后置ICA的反相級電路。其中AD8036處于一種非反向配置并可提供反向鉗制放大器的所有功能。該電路具有大小為-RF/RI的增益，并被箝位于VH和VL。箝位級的操作將在下一節(jié)中做進(jìn)一步說明。在所有的箝位電路中，VH必須高于VL，但它們均位于各部分的輸出電壓范圍之內(nèi)。

對于要求增益大于-1的電路而言，設(shè)計(jì)人員可以選擇如何在反相級和箝位級之間進(jìn)行增益分配。為了獲得的，ICA應(yīng)在較低的增益條件下工作，因?yàn)轶槲皇窃鲆娴囊粋€函數(shù)（詳見下一節(jié)）。所需的附加增益可在反相級中提供。

非反相操作

單位增益

對于替換非反相OCA的場合來說，需要考慮的重要的問題就是箝位放大器的操作增益。這是因?yàn)镮CA的輸出箝位電平是放大器閉環(huán)增益的一個函數(shù)。

個需要考慮的情形是非反相單位增益。對于OCA，箝位電平與施加于VH（⑧腳）和VL（⑤腳）的電壓相等。對于ICA，這些電壓被乘以閉環(huán)增益，以計(jì)算箝位電平。但是,由于增益為+1,因此ICA和OCA將具有相同的箝位電平。于是，可直接進(jìn)行替換。圖2示出了單位增益箝位電路的一個例子。

由于我們談?wù)摰氖欠欠聪鄦挝辉鲆?，因此所選的放大器必須在單位增益條件下呈現(xiàn)出穩(wěn)定的操作性能。在這兩種ICA中，AD8036對單位增益條件下的操作進(jìn)行了補(bǔ)償。這樣，在非反相單位增益應(yīng)用中，AD8036就是OCA的一個“插入式”替代。它將提供與采用OCA時完全一樣的增益和箝位電平。

大于或等于2的增益

當(dāng)箝位放大器的非反相增益為2 或更大時，AD8037可用于其較寬的帶寬，因?yàn)閷λM(jìn)行了2 或更大的噪聲增益補(bǔ)償。但是，加在箝位腳上的電壓將不得不改變，以保持相同的箝位電平，因?yàn)轶槲浑娖绞欠糯笃鏖]環(huán)增益的一個函數(shù)。以下公式歸納了用于獲得合適箝位電壓的計(jì)算方法：

VCH = GxVH

VCL = GxVL

其中：

VCH為高輸出箝位電平

VCL為低輸出箝位電平

G為放大器配置的增益

VH為加在VH（⑧腳）上的電壓

VL為加在VL（⑤腳）上的電壓

一般而言，為了保持與采用OCA時相同的箝位電平，加在箝位腳上的電壓應(yīng)設(shè)定為箝位電平的期望值與放大器閉環(huán)增益相除的商。圖3示出了采用增益為2的AD8037時箝位級的原理簡圖。

帶補(bǔ)償?shù)捏槲?/B>

圖4示出了能夠提供箝位并具有補(bǔ)償?shù)腁D8037的非反相配置。該電路示出了一個AD9002（一款8比特、125MSPS A/D變換器）用激勵器以及使用具有補(bǔ)償和箝位的AD8037時需要考慮的一些問題。AD9002的模擬輸入范圍為GND～-2V，為了避免形成多余的電流，輸入電壓不能超出此范圍太多。輸入電壓對稱于GND，幅度為1VP-P。

當(dāng)AD8037的操作增益為2時，數(shù)據(jù)表上建議選用一個301　的反饋電阻。對于增益為2的場合，電阻R1和R3的并聯(lián)阻值必須與反饋電阻R2相等，因此：

R1X3/（R1+R3）= R2 = 301Ω　

用于提供這一補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)是輸出電壓為2.5V的AD780。為了求出R3的阻值，首先假定非反相輸入端的輸入電壓為0V。這將使得反相輸入電壓同樣必須為0V，從而產(chǎn)生這樣一種情況，即沒有電流流過R2。此時希望輸出電壓為-1V，這樣就會有1V/301Ω=3.32mA的電流流過R2。由于沒有電流流過R1或流入運(yùn)算放大器的反相輸入端，相同的電流肯定會流過R3，于是：

2.5V =（3.32mA）R3 或 R3 = 750Ω

由上面的公式可得出R1的阻值為499Ω。

是對信號進(jìn)行箝位，這樣在兩個方向上輸出都不會超出A/D的輸入信號范圍100mV以上。因此，高電平箝位應(yīng)位于+0.1V，低電平箝位應(yīng)位于-2.1V。

由于箝位是在輸入級進(jìn)行的，因此，就像在輸出端看到的那樣，箝位電平不僅如前所述受到電路增益的影響，而且還受到補(bǔ)償?shù)挠绊?。所以，為了獲得期望的箝位電平，VH和VL必須被分別偏置于+550mV和-550mV。由位于電源和地之間的806Ω和100Ω電阻所構(gòu)成的分壓器被用來生成箝位電壓。

一般而言，輸出端的箝位電平可由下式計(jì)算：

VCH=VOFF+GxH

VCL=VOFF+GxL

其中：VOFF是輸出端的補(bǔ)償電壓。

考慮箝位電平設(shè)定的另一條途徑是注意到箝位信號（VH和VL）為傳統(tǒng)的非反相輸入超出其建立的“窗口”時所選擇的交替非反相輸入，見圖5。理想的做法是將箝位電平設(shè)定得比增益為2 的輸入信號的偏移高100mV或低100mV。因此，VH應(yīng)比輸入信號偏移（+0.5V或550mV）高50mV。同樣，VL應(yīng)比輸入信號偏移（-0.5V或-550mV）低50mV。在每種情況下，50mV都將被乘以2，結(jié)果就是100mV。同時，相同的補(bǔ)償將被加至輸入信號和箝位。

IN5712肖特基二極管被用來防止在上電瞬變過程中對AD9002中的襯底二極管施加正向偏壓

關(guān)鍵詞：用輸入箝位放大器來替代輸出箝位運(yùn)算放大器AD780AD8037AD8036ANALOGAD9002DEVICES

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