高精度運(yùn)放能在低功率實(shí)現(xiàn)快速多路復(fù)用

引言

如果要設(shè)計(jì)一種負(fù)責(zé)測量多個(gè)模擬電壓(但不是所有同時(shí)測量)的系統(tǒng)，可以通過把測量結(jié)果多路復(fù)用為單個(gè)輸出信號來簡化下游電路，隨后采用共享組件對原始電壓電平進(jìn)行串行處理和數(shù)字化。這么做的好處是信號鏈路組件的數(shù)目和尺寸將比采用“按每個(gè)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)”時(shí)所需的小得多。正確地實(shí)現(xiàn)一種多路復(fù)用解決方案需要注意幾個(gè)細(xì)節(jié)，特別是假如您希望在通道之間實(shí)現(xiàn)快速切換、進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和保持低功耗。

快速響應(yīng)

多路復(fù)用增加了組合信號的頻率含量，這是因?yàn)楫?dāng)每次多工器切換通道，多路轉(zhuǎn)換信號都將改變數(shù)值。即使輸入信號并沒有快速地變化，多路轉(zhuǎn)換信號也會快速改變，因此位于多工器之后的任何電路都必須對這些轉(zhuǎn)換做出快速響應(yīng)。例如，倘若輸出信號在讀取下一個(gè)通道之前未完全穩(wěn)定至目標(biāo)準(zhǔn)確度，則某個(gè)給定通道的測量值會取決于前一個(gè)通道的數(shù)值，這相當(dāng)于通道至通道串?dāng)_。

由于多工器的導(dǎo)通電阻不是零，因此常常需要采用一個(gè)運(yùn)放來緩沖輸出。圖1示出了一款多路轉(zhuǎn)換的電路，其在MUX之前給每個(gè)通道布設(shè)一個(gè)運(yùn)放，而在MUX之后則安置一個(gè)共享運(yùn)放。這里我們考慮的是下游共享運(yùn)放的性能。

圖1：多路轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。位于輸入端的LT6011緩沖器具有高輸入阻抗。位于MUX之后的LT6020能在MUX改變通道時(shí)快速轉(zhuǎn)換。LT6020特殊的輸入電路可避免在MUX輸入端上出現(xiàn)電壓毛刺

具有低功耗的運(yùn)放之速度往往很慢。特別地，運(yùn)放的擺率通常與運(yùn)放的電源電流緊密相關(guān)。這是因?yàn)榭捎糜诮o內(nèi)部電容器充電的電流占運(yùn)放總電源電流的一個(gè)固定比例。

另一方面，LT6020運(yùn)放的擺率要比您依據(jù)其低電源電流所預(yù)計(jì)的高得多。該器件實(shí)現(xiàn)這一非凡功能的方法是根據(jù)輸入階躍的大小來調(diào)節(jié)擺率，因此大輸入階躍和小輸入階躍的處理速度一樣快。

圖2a和2b比較了LT6020和一款具有相似功耗的傳統(tǒng)運(yùn)放對于瞬態(tài)階躍響應(yīng)的影響。對于傳統(tǒng)的運(yùn)放，大信號響應(yīng)比小信號響應(yīng)慢得多。然而LT6020對一個(gè)10V階躍和一個(gè)±200mV階躍的響應(yīng)一樣干凈。由于具有這種快速轉(zhuǎn)換和迅速穩(wěn)定至一個(gè)新數(shù)值的能力，加上仍然僅吸收100μA的電源電流，因而使得LT6020成為布設(shè)在多工器之后的緩沖器之上佳選擇。

圖2a：對于小的輸出信號，LT6020的運(yùn)作情況與具有相同功率級別的其他運(yùn)放相似。響應(yīng)受增益帶寬的支配。

圖2b：對于大的輸出信號，與功率級別相似的其他運(yùn)放相比，LT6020維持了信號保真度。響應(yīng)受擺率的支配。

圖3a：一旦控制信號(上方掃跡)改變MUX通道，LT6020輸出(下方掃跡)將從前一個(gè)通道上的電壓轉(zhuǎn)換至下一個(gè)通道。中間的掃跡顯示的是至多工器的輸入，其幾乎沒有電壓毛刺。

圖3b：與圖3a相同的配置，但是在多工器之后布設(shè)了一個(gè)傳統(tǒng)運(yùn)放(LT6011)。至多工器之輸入上的信號(中間掃跡)表明：由于有電流流過多工器并進(jìn)入運(yùn)放的保護(hù)二極管，因此出現(xiàn)了明顯的毛刺。

避免毛刺

即使安放在多工器之后的運(yùn)放足夠快，但還有另一個(gè)重要細(xì)節(jié)常常被忽視。大多數(shù)高精度運(yùn)放都具有跨接在輸入級兩端的內(nèi)部保護(hù)二極管，旨在避免給輸入級上敏感的雙極晶體管施加反向偏置。當(dāng)多工器從一個(gè)通道切換至下一個(gè)通道時(shí)，一個(gè)終端上的輸入電壓快速改變，而輸出(因此包括反饋節(jié)點(diǎn))則尚未改變。這將導(dǎo)致一個(gè)大的電流尖峰流過內(nèi)部保護(hù)二極管。這個(gè)電流來自哪里呢?其一定來自于連接至多工器之輸入的電路。如果該電路為高阻抗，或者速度緩慢，那么此電流尖峰將引起一個(gè)電壓毛刺。系統(tǒng)的輸出隨后將試圖跟隨該輸入電壓毛刺，所以直到此電壓毛刺自行化解之后輸出才能準(zhǔn)確地穩(wěn)定。[!--empirenews.page--]

LT6020運(yùn)放提供了一款針對該問題的獨(dú)特解決方案。其輸入器件不僅非常準(zhǔn)確，而且具備足夠的堅(jiān)固性以容許超過5V的反向偏置。于是，負(fù)責(zé)保護(hù)輸入的是一對背對背齊納二極管，而不是內(nèi)部保護(hù)二極管。因此，對于5V或以下的輸入階躍，不會出現(xiàn)電流尖峰。如圖3a和3b所示，LT6020運(yùn)放在傳感器的輸出上幾乎未引起電壓毛刺，而傳統(tǒng)的高精度運(yùn)放(以LT6011為例)則會引起一個(gè)大的電壓毛刺。

結(jié)論

把高精度信號正確地多路復(fù)用為一個(gè)輸出信號需要謹(jǐn)慎地關(guān)注細(xì)節(jié)。LT6020利用一組獨(dú)特的特性簡化了多路復(fù)用解決方案的設(shè)計(jì)。例如，其擺率與處于這種低電源電流水平的其他運(yùn)放相比要快得多，從而使之能夠?qū)νǖ雷兓龀隹焖夙憫?yīng)。另外，其獨(dú)特的輸入保護(hù)方案還可避免出現(xiàn)電流尖峰，而當(dāng)采用傳統(tǒng)的高精度運(yùn)放時(shí)，這種電流尖峰將在通道切換期間引起上游干擾。