一種數模信號轉換的實際案例介紹（二）

第4步：為運算放大器找到最大增益并定義搜索條件

有了ADC的輸入電壓范圍將有助于我們設計增益模塊。為了最大化動態范圍，我們需要在給定的輸入信號和ADC輸入范圍內選取盡可能高的增益。這意味著我們可以將該例子中的增益模塊設計成具有10倍的增益。

雖然AD7685很容易驅動，但驅動放大器需要滿足某些要求。例如，為保持AD7685的SNR和轉換噪聲性能，驅動放大器產生的噪聲必須盡可能低，但要注意增益模塊可同時放大信號和噪聲。若要使得噪聲在增益模塊前后都保持不變，我們需要選擇具有更低噪聲值的放大器和相關元件。

此外，驅動器的THD性能應與AD7685相當，并且必須使ADC電容陣列以16位水平(0.0015%)建立滿量程階躍。來自放大器的噪聲可使用外部濾波器進一步過濾。

運算放大器的輸入端允許多大的噪聲?牢記我們設計的總體解決方案的噪聲密度不超過416 nV/rt-Hz。我們設計的增益模塊應具有更低的本底噪聲，系數為10，因為我們的增益為10。

這將確保來自放大器的噪聲遠低于傳感器的本底噪聲。計算噪聲裕量時，我們可假設運算放大器輸入端的噪聲大致等于運算放大器的總噪聲加上ADC的噪聲。

第5步：找到最佳放大器并設計增益模塊

知道了輸入信號帶寬后，運算放大器選型的第一步是選擇一個具有合理的增益帶寬積(GBWP)的運算放大器(GBWP)，并且該放大器可以最小的直流和交流誤差處理該信號。為得到最佳的增益帶寬積，需要知道信號帶寬、噪聲增益以及增益誤差。下文給出這些術語的定義。

一般而言，若想保持增益誤差小于0.1%，推薦選用增益帶寬比輸入信號帶寬大100倍的放大器。另外，我們需要一個可快速建立且驅動能力良好的放大器。

注意，我們的噪聲預算要求運算放大器輸入端的總噪聲低于40.8 nV/rt-Hz，而ADC規定的指標為7.9-nV/rt-Hz。總結運算放大器的查找條件如下：UGBW》1MHz、5-V單電源、良好的電壓噪聲、電流噪聲、THD特性、低直流誤差(不降低ADC性能)。

搜索ADC時采用相似的查找方法，本例我們選出AD8641。AD8641為低功耗、精密JFET輸入放大器，具有極低的輸入偏置電流和軌到軌輸出特性，可在5 V至26 V電源下工作。相關數據在下表中列出。我們可采用表中的元件值對運算放大器進行同相配置。

所有有源和無源元件都各自產生噪聲，因此選擇不降低性能的元件尤其重要。例如，購買一個低噪聲運算放大器并在其周圍放置大電阻就是一種浪費。牢記一個1 kohm的電阻器可產生4 nV的噪聲。

圖3 完整的解決方案

表1 圖3所示的完整解決方案的元件值

圖5 圖3所示電路的帶寬模擬

如前所述，可考慮在ADC和該增益模塊之間使用一個RC濾波器，這樣應該有助于縮小帶寬并優化SNR。

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