作者：Bonnie C. Baker，德州儀器 (TI) 高級應用工程師

關鍵字：模擬電路設計、電容、電阻、轉換器、ADC、工業應用、醫療電子、運算放大器、系統設計、工程教育、物理驗證和分析、信號完整性、設計方法

一般而言，手持式儀表、數據記錄器、車載和監控系統都要求一種低成本高精度、高系統解析度的多路復合系統。可以將這些要求都集成到一個電路中嗎？能夠處理這些多樣性需求的系統，要求一個多路復用器、增益單元和一個模數轉換器 (ADC)。

解決這個問題的一種可行方案是一個 10 通道、可編程放大器 (PGA)，它與一個中速 12  位 SAR ADC（請參見圖  1）配合工作。該單電源、10 通道 PGA 具有一個軌至軌的輸入/輸出，增益調節范圍為 1 V/V 到 200 V/V。PGA 的 12 nVÖHz @ 10 kHz 低噪聲性能適合于 12 位系統。這兩個器件之間的模擬接口包括一個緩沖結構的運算放大器 (OPA) 以及一個 R/C 電路。12 位 ADC 是一個帶固有采樣和保持的電容型 SAR ADC。該轉換器要求 R/C 電路，其可簡化 ADC 輸入結構的充電動作。

圖 1 這種系統使用一個多路復用 PGA 和驅動 12 位轉換器的運算放大器

計算得到的 PGA 噪聲值（參考輸出 (RTO)）等于 10 kHz 下 PGA 噪聲密度 (12 nV/√Hz) 乘以 PGA 閉環帶寬的平方根乘以√ (π/2)。√(π/2) 的倍數說明了 PGA 帶寬以外頻率區域的噪聲。之后，所得值再乘以 PGA 的增益。方程式 1 使用了 16 V/V 的 PGA 增益：

PGA_rms-noise = 12 nV/√Hz * √ (1.6 MHz * √/2) * 16 V/V = 0.304 μV (rms) 方程式 1

轉換器產生的  ADC  噪聲為 431 μV (rms)，大大低于該 5 伏系統的 1 LSB 或 1.22 mV。緩沖放大器的噪聲為 39 μV (rms)，帶給系統的噪聲極少甚至為零。

PGA、OPA 和 ADC 的組合噪聲為 529 μV (rms)，仍然低于 12 位轉換器的 1 LSB。該值使用一個方和根方程式（即方程式 2） 計算得出：

Noise _(RTO) = √ (PGA_rms-noise² + OPA_rms-noise² + ADC_rms-noise²)   方程式  2

PGA 為 16 V/V 增益時該系統的等效 12 位精度（Equiv_12-bit）為 0.432 LSBs（請參見方程式 3）。

Equiv_12-bit = (Noise_RTO * 2^N)/FSR, {where N = 12 and FSR = 5 V/V}   方程式 3

如果我們在 1-200 V/V 的 PGA 增益范圍來觀察該系統，我們便會發現 PGA 噪聲為電路的主要噪聲。一旦 PGA 增益超出 ~125 V/V，該系統便不再符合 12 位精度標準。然而，這種情況能夠通過縮小系統參考輸入 LSB 的電壓大小來改善（請參見圖 2）。獲得更小 LSB 的折中方法是降低系統的有效轉換位數 (ENOB)。

圖 2 系統精度高于 0.01%，且 PGA 增益為 1–125 V/V。

PGA 增益為 125～200 V/V 時，系統精度高于 0.02%。

圖 1 所示系統可在要求 12 位精度時提供足夠的 PGA 增益范圍，也可在要求高系統解析度時提供同樣足夠的增益范圍。