使用AD8618设计ADC信号调理电路随笔
使用AD8618设计ADC信号调理电路随笔
最近需要设计DCDC控制板的信号调理电路,受益良多,记录一下。
1、电压电流传感器参数如下:
2、输出电压±5V,DSP的ADC输入信号为0-3V,留出裕量,取0.3-2.8V。
3、采集的信号为直流,但需要测量瞬时信号,因此拟取调理电路带宽至少大于10kHz。
4、根据输入输出电压范围,调理电路使用移位型直接耦合同相放大电路实现:
5、运放选型:参考CREE的逆变器设计参考,官网看了半天,最终选择了ADI的AD8618四通道运放,不得不说这款运放性能真的好,
单电源供电,GPB高达24MHz,输入失调电流最高0.5pA,压摆率12V/us,开环输出阻抗3Ω,具体参数见官方文档
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8615_8616_8618.pdf
6、选择3.3V供电电压(用3.3V可以避免使用外部限幅),上图中的电阻计算公式可参考西交大analog-circuit书第四部分P150,这里就不详细计算了。总之最终目的就是将传感器输出的-5V-5V的电压衰减并移位到0.3-2.8V。
7、刚开始没有注意到传感器参数要求负载电阻≥10kΩ,直接机械的参考了CREE的设计,选了一组阻值相近的电阻,但是通过TINA仿真发现,输入阻抗只有7kΩ多,这时候就有疑惑了,按说同相比例放大电路的输入阻抗是非常大的,基本上跟运放本身的输入阻抗差不多,这时再来分析这个电路:
R1 = 6.19K
R2 = 3.24K
R4 = 1.54K
R5 = 5.49K
计算输入阻抗时把VD接地,此时R2和R5并联,后面的同相电压跟随器其输入阻抗Rin大于1MΩ,这样相当于输入阻抗为
R1 + R5//Rin//R2,粗略估计一下,R5//Rin//R2肯定小于R2,我们取2k,再加上R1大约8k左右,跟仿真结果差不多!
为什么同相放大电路输入阻抗会这么小呢?原因是其输入有R2和R5两个电阻,这样就形成了一个并联支路,相当于后端的运放兆欧级输入阻抗和前端一个很小的电阻并联,其结果当然不会很大。
知道这一点后面就简单了,只要把这四个电阻等比例增大一定程度,使电路等效输入阻抗大于10k即可。到这里才明白,为什么传感器公司的技术支持建议传感器输出接一级电压跟随器,目的就是增大传感器的负载电阻,为什么我没有用呢?因为传感器的输出是±5V的双极性电压,所以跟随器的运放必须双电源供电,还得单独搞一个-5V的电源,麻烦!
当然上图R1、R2、R4、R5也不能太大,否则容易引入噪声,最终的调理电路如下:
8、输出接了一个RC低通滤波,关于RC的设计,也可参考西交大的这本神书。
输出对地接大电容负载是很危险的,容易引起过冲和振铃、电路不稳定,甚至自激振荡。
一阶低通在-3dB处带来-45°相移,-6dB处带来-60°相移,这样已经将相位裕度基本消耗完了,电路容易失稳。个人理解是RC低通的转折频率不能太低,如果转折频率处在采样信号的频率范围内,或接近其频率,就容易引起相位滞后过度消耗相位裕度。
AD8618这款芯片比较有意思,在CREE的设计参考中,输出并了一个4700pF的电容,这已经很大了。对设计的电路仿真发现,输出挂100nF的大电容,其阶跃响应依然稳定。。。
暂时就写这些,其实设计过程中还有很多地方模棱两可,基础真的很重要。
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