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双运算放大器结合16位精度和高速进行优化的方案

来源:analog 发布时间:2023-10-26

摘要: LT1469是一款双运算放大器,针对16位系统的精度和速度进行了优化。对于10V步进,放大器仅在900ns至150 μ V之间。LT1469还具有16位设计所需的出色直流规格。

LT1469是一款双运算放大器,在16位系统中针对精度和速度进行了优化。对于10V步进,放大器稳定在900ns至150µV之间。TheLT1469还具有16位设计所需的出色直流规格。输入偏置电压最大125µv,输入偏置电流最大10nm,最小直流增益为300V/mV。表1总结了TheLT1469的规格。

表1 LT1469规范摘要
参数价值
输入偏置电压125µV (Max)
反相输入偏置电流10 na (Max)
非反相输入偏置电流40 na (Max)
直流增益300 v / mV(分钟)
CMRR96分贝(分钟)
PSRR100分贝(分钟)
通道分离100分贝(分钟)
输入噪声电压5 nv /√赫兹
输入噪声0.6 pa /√赫兹
增益带宽90兆赫
转换速率22 v /µ年代
沉降时间(A(V) = -1, 150µV, 10V Step)900纳秒
沉淀时间(使用LTC1597, C(F) = 15pF, 20V Step)2.4µ年代
THD为10V(P-P,) 100kHz-96.5 db
电源电流,V(S) =±15V(每个放大器)5.2 ma (Max)

本文介绍了LT1469在16位数据转换系统中的两个应用。第一个应用是快速电流输出数字转换器(DAC),如LTC1597。双LT1469放大器允许该dac在双极4象限倍增模式下工作。第二个应用说明了该双放大器作为差分-数字转换器(ADC)的缓冲器的使用,例如333ksps LTC1604。

16位4象限dac, 2.4µs稳定时间

实现16位数字转换的最快,最精确的方法是使用电流输出dac,然后使用精密放大器进行电流到电压转换。图1显示LT1469与LTC1597 16位电流输出DAC结合使用。第一个放大器用作dac输出端的电流-电压(I/V)转换器。第二个放大器用于反转参考输入电压。所有的电阻器都在dac内部,并经过精确修整。使用固定的10v参考输入(例如LT1021-10可以提供),参考反转允许双极输出摆动,即从-10V到10v。此外,由于LT1469的高带宽和低失真,这种配置允许其参考输入为可变信号,例如正弦波,用于全四象限乘法运算。图2显示了该电路的信号对(噪声加失真)测量结果。


图1所示 16位DAC I/V转换器和参考逆变器


图2 图1电路的信号到(噪声加失真)(代码=全零)

图1中电路的关键交流规格是稳定时间,因为这限制了DAC更新速率。在最佳配置下,LT1469的沉降时间仅为900ns。在图1中,由于需要补偿DAC输出电容,设置时间受到限制,对于LTC1597,根据输入代码的不同,输出电容在70pf到115pF之间变化。放大器反相输入端的电容与内部反馈电阻相结合,在100khz - 200khz附近的闭环频率响应中形成零。没有反馈电容,电路就会振荡。A15pF反馈电容通过增加一个880kHz的极来稳定电路。这个12k欧姆||15pF反馈网络增加了稳定时间。对于一阶线性系统,最小的16位精度稳定时间为-ln(2(-16)) = 11.1时间常数,由12k欧姆和15pF设定,等于2.0µs。图1的电路在2.4µs到150µV的20v步进。

该双极DAC电路的重要直流特性是积分和差分非线性(INL和dnl)、零误差和增益误差。放大器通过其输入偏置电压(V(OS)),有限直流增益(A(VOL))和反向输入偏置电流(I(B -))导致这些误差。由于两个放大器的正输入都与地相连,因此非反相输入偏置电流不会增加任何误差。考虑到这一关键应用,LT1469的设计针对低I(B -)进行了优化。

ltc1597的INL和DNL几乎不受周围放大器的影响。图3显示了INL优于0.25 lsb和DNL优于0.1LSB的测量结果,这对于16位性能来说非常出色。


图3 INL为图1的电路


图3 b 图1电路的DNL

放大器的V(OS)、I(B -)和A(VOL)对系统的零误差和增益误差的影响是噪声增益和DAC电阻的函数。精确的设计方程已在线性技术设计笔记214中提出。对于-10V至10v输出摆幅,该16位系统的LSB为20V/2(16) = 305µV。相对于此LSB, LT1469最坏情况规格导致零误差为3.6LSB,满量程增益误差为4.9LSB。与固有的dac规格相比,这些数字是微不足道的。

低到5nV/√赫兹输入电压噪声和0.6pA/√赫兹在输入电流噪声时,LT1469只对DAC输出噪声电压额外贡献23%。输出端可选的低通滤波器允许设计人员在解决时间上权衡分辨率。较低的截止频率可以消除宽带噪声,如图2所示,而较高的截止频率,如图1所示的1.6MHz,对沉降时间的贡献仅为0.1µs。

单端到差分16位ADC缓冲器

图4演示了使用theLT1469作为ltc1604差分16位ADC的缓冲区。该应用的重要放大器规格是低噪声和低失真。LTC1604 16位adc信噪比(SNR)为90db,意味着输入噪声为56µV(RMS)。两个放大器and100欧姆/3000pF低通滤波器的噪声仅为6.4µV(RMS)。总噪声包括源电阻的贡献。对于高值R(S) 10k欧姆,这相当于11.8µV(RMS)。显然,两个噪声源加在一起仍然完全符合16位精度的要求。


图4 差分ADC缓冲器

差分驱动theLTC1604的一个优点是可以降低每个输入端的信号摆幅,从而降低ADC和放大器的失真。对于ADC来说,满量程输入意味着a (IN)(+) - a (IN)(-)=±2.5V。在单端模式下,A(In)(-)接地,这意味着A(In)(+)必须摆幅±2.5V。当驱动两个输入差动时,每个输入必须只有摆动量的一半,即±1.25V。tc1604总谐波失真(THD)在100kHz时为低-94dB。在±1.25V, 100khz的输入下,缓冲器/滤波器组合的二次和三次谐波失真优于-100dB,因此不会降低ADC的交流性能。典型的性能如图5所示。


图5  图4电路的ADC输出的4096点FFT

在差分模式下工作的另一个优点是可以减少ADC的共模误差。在单端模式下,adc在其输入端看到的共模信号是输入信号的一半。由于LTC1604的最小cmrr为68dB,这可能导致ADC输出的增益和偏移误差微不足道。在差分模式下,只有LT1469放大器在其输入处看到共模,由于这些放大器的96dB CMRR,导致误差可以忽略不计。adc输入端的共模信号现在总是0V。

缓冲器也从低源阻抗驱动adc。在没有缓冲器的情况下,LTC1604采集时间随着源电阻高于100欧姆的增加而增加,因此必须降低最大采样率。凭借低噪声、低失真的lt1469缓冲器,ADC可以在不牺牲交流性能的情况下从更高的源阻抗以最大速度驱动。

对ADCbuffer的DC要求相对较低。输入偏置电压、CMRR和通过源电阻的非反相输入偏置电流R(S)会影响ADC精度,但这些误差与ADC偏置和满量程误差相比微不足道。

结论

LT1469在单个8引脚so或PDIP封装中提供两个快速准确的放大器。无与伦比的速度和精度的组合使其成为许多16位系统的选择组件。

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