Chapter-7:MATCHINGIN-AMPCIRCUITSTOMODERNADCs
第第第第七七七七章章章章：：：：仪表放大器与仪表放大器与仪表放大器与仪表放大器与现代模数现代模数现代模数现代模数转换器转换器转换器转换器的匹配的匹配的匹配的匹配
1.CalculatingADCRequirements
差分放大器差分放大器差分放大器差分放大器高电压高电压高电压高电压测量测量测量测量
TheresolutionofcommercialADCsisspecifiedinbits.InanADC,theavailableresolutionequals
2n–1,wherenisthenumberofbits.Forexample,an8-bitconverterprovidesaresolutionof28–1,
whichequals255.Inthiscase,thefull-scaleinputrangeoftheconverterdividedby255willequal
thesmallestsignalitcanresolve.Forexample,an8-bitADCwitha5Vfull-scaleinputrangewill
havealimitingresolutionof19.6mV.
商业化的模数转换器的分辨率用比特（bit）位数规定。在模数转换器中，可能的分辨率等于2n
–1，n即比特数。例如，一个8bit模数转换器，所能提供的分辨率为28–1，等于255。模
数转换器的满量程输入范围除以255就等于它所能分辨的最小的信号。例如，一个5V满量
程输入范围的8bit模数转换器，它的极限分辨率是19.6mV。
InselectinganappropriateADCtouse,weneedtofindadevicethathasaresolutionbetterthanthe
measurementresolutionbut,foreconomy’ssake,notagreatdealbetter.
模数转换器的选用，器件分辨率应高于所期望的信号分辨率件，但鉴于经济考虑，不应高出太
多。
Table7-1providesinputresolutionandfull-scaleinputrangeusinganADCwithorwithoutan
in-amppreamplifier.Notethatthesystemresolutionspecifiedinthefigurereferstothatprovidedby
theconvertertogetherwiththein-amppreamp(ifused).Also,notethatforanylowlevel
measurement,notonlyarelownoisesemiconductordevicesneeded,butalsocarefulattentionto
componentlayout,grounding,powersupplybypassing,andoften,theuseofbalanced,shielded
inputs.
表7-1所提供的是一些常用模数转换器的输入分辨率和满量程输入电压范围，有的包含仪表
放大器的，有的则不含仪表放大器。注意，所规定的系统分辨率数值指的是模数转换器与前置
放大器（仪表放大器）一起提供的分辨率，当然是在应用前置放大器的情况下。还用注意，对
于任何低电平测量应用，不但需要低噪声的半导体器件，还应特别注意元件布局、接地、电源
旁路，经常用到的平衡、屏蔽输入方式。
Formanyapplications,an8-bitor10-bitconverterisappropriate.Thedecisiontouseahigh
resolutionconverteralone,ortouseagainstageaheadofalowerresolutionconverter,dependson
whichismoreimportant:componentcost,orpartscountandeaseofassembly.
在许多应用中，8bit或10bit模数转换器是一个恰当的选择。是单独应用一个高分辨率的模
数转换器，还是应用一个低速模数转换器，并在其前面增加增益级，依赖于看重哪个因素：关
心部件成本，还是关心所需部件个数以及电路搭建难易程度。
Oneveryeffectivewaytoraisesystemresolutionistoamplifythesignalfirst,toallowfulluseof
thedynamicrangeoftheADC.However,thisaddedgainaheadoftheconverterwillalsoincrease
noise.Therefore,itisoftenusefultoaddlow-passfilteringbetweentheoutputofanin-amp(orother
gainstage)andtheinputoftheconverter.Also,inmostcases,thesystembandwidthshouldnotbe
sethigherthanthatrequiredtoaccuratelymeasurethesignalofinterest.Agoodruleofthumbisto
setthe–3dBcornerfrequencyofthelow-passfilterat10to20timesthehighestfrequencythatwill
bemeasured.
一个非常有效地提高系统分辨率的方法是，先对信号进行放大，充分利用模数转换器的动态范
围。但是，转换器之前增加增益级，也会增加噪声。因此，经常在仪表放大器（或其它增益级）
输出与模数转换器输入之间引入低通滤波器。并且，在多数应用中，系统带宽的设定，不应高
于被测信号的精确测所要求的带宽。一个值得推崇的原则，低通滤波器的-3dB转折频率设定
为被测信号最高频率的10~20倍。
AddingamplificationbeforetheADCwillalsoreducethecircuit’sfull-scaleinputrange,butitwill
lowertheresolutionrequirements(and,therefore,thecost)oftheADC(seeFigure7-1).
在模数转换器之前增加放大器，也会减小电路的满量程输入范围，但会降低对模数转换器的分
辨率要求（成本……），请读图7-1。
Forexample,usinganin-ampwithagainof10aheadofan8-bit,5VADCwillincreasecircuit
resolutionfrom19.5mV(5V/256)to1.95mV.Atthesametime,thefull-scaleinputrangeofthe
circuitwillbereducedto500mV(5V/10).
例如，应用一个8bit、5V的模数转换器，前面带有10倍级，使电路分辨率从19.5mV（即
5V/256）提高到1.95mV，同时，电路的满量程输入范围下降到500mV（5V/10）.
2.MatchingADIIn-AmpswithSomePopularADCs
ADI仪表放大器与常见模数仪表放大器与常见模数仪表放大器与常见模数仪表放大器与常见模数转换器转换器转换器转换器的匹配的匹配的匹配的匹配
Table7-2showsrecommendedADCsforusewiththelatestgenerationofADIin-amps.
表7-2所示，推荐的模数转换器，配合ADI公司最新一代的仪表放大器一起使用。
3.HighSpeedDataAcquisition
高速数据采集高速数据采集高速数据采集高速数据采集
Asthespeedandaccuracyofmoderndataacquisitionsystemshaveincreased,agrowingneedfor
highbandwidthinstrumentationamplifiershasdeveloped—particularlyinthefieldofCCD
imagingequipmentwhereoffsetcorrectionandinputbufferingarerequired.Here,double-correlated
samplingtechniquesareoftenusedforoffsetcorrectionoftheCCDimager.AsshowninFigure7-1,
twosample-and-holdamplifiersmonitorthepixelandreferencelevels,andadc-correctedoutputis
providedbyfeedingtheirsignalsintoaninstrumentationamplifier.
随着现代数据采集系统速度、精度的提高，对宽带仪表放大器的需求也在不断提高，特别是在
需要失调校正和输入缓冲的CCD（电荷耦合器件）成像设备中，经常应用双相关采样技术进
行失调校正。如图7-1，两个采样保持放大器监视像素和参考电平，其输出信号反馈到仪表
放大器，得到经过直流校正的输出信号。
Figure7-2showshowasinglemultiplexedhighbandwidthin-ampcanreplaceseveralslowspeed
non-multiplexedbuffers.Thesystembenefitsfromthecommon-modenoisereductionand
subsequentincreaseindynamicrangeprovidedbythein-amp.
图7-1说明怎样用一个带有多路切换开关的宽带仪表放大器代替几个不带多路切换开关的低
速缓冲器。系统的优点是共模噪声降低、以及随之而来的仪表放大器动态范围的提高。
Previously,thelowbandwidthsofcommonlyavailableinstrumentationamplifiers,plustheir
inabilitytodrive50Ωloads,restrictedtheirusetolowfrequencyapplications—generallybelow1
MHz.Somehigherbandwidthamplifiershavebeenavailable,butthesehavebeenfixed-gaintypes
withinternalresistors.Withtheseamplifiers,therewasnoaccesstotheinvertingandnon-inverting
terminalsoftheamplifier.Usingmodernopampsandemployingthecomplementarybipolar(CB)
process,videobandwidthinstrumentationamplifiersthatofferbothhighbandwidthsandimpressive
dcspecificationsmaynowbeconstructed.Common-moderejectionmaybeoptimizedbytrimming
orbyusinglowcostresistorarrays.
以前，常用仪表放大器带宽窄、不能驱动50?负载，只能局限于低频应用，一般低于1MHz。
虽然也有一些带宽较宽的放大器，但属于包含内部电阻的固定增益型，这些放大器，使用者无
法对反相输入端、同相输入端进行外部连接。现在，应用现代运算放大器、以及完善的双极性
工艺，已制造出兼具宽带特性、极佳直流特性的视频带宽的仪表放大器。共模抑制特性，可通
过微调校准，或使用低成本的电阻阵列得到优化。
Thebandwidthandsettlingtimerequirementsdemandedofanin-ampbufferinganADC,andforthe
sample-and-holdfunctionprecedingit,canbequitesevere.Theinputbuffermustpassthesignal
alongfastenoughsothatthesignalisfullysettledbeforetheADCtakesitsnextsample.Atleasttwo
samplespercyclearerequiredforanADCtounambiguouslyprocessaninputsignal(FS/2)—thisis
referredtoastheNyquistcriteria.Therefore,a2MHzADC,suchastheAD7266orAD7322,
requiresthattheinputbuffer/sample-and-holdsectionsprecedingitprovide12-bitaccuracyata1
MHzbandwidth.Settlingtimeisequallyimportant:thesamplingrateofanADCistheinverseofits
samplingfrequency—forthe2MHzADC,thesamplingrateis500ns.Thismeansthatforatotal
throughputrateoflessthan1us,thesesameinputbuffer/sample-and-holdsectionsmusthaveatotal
settlingtimeoflessthan500ns.
作为模数转换器的缓冲级的仪表放大器，以及前面的采样保持功能，对带宽和建立时间的要求
非常苛刻。输入缓冲器必须能够让信号足够快的通过，使得模数转换器进行下一次采样之前，
信号能够稳定建立。为使模数转换器能够无混叠的处理输入信号（输入信号最高频率为采样频
率的一半），在一个信号周期内必须至少两次采样，即所说的奈奎斯特准则。因此，一个2MHz
的模数转换器，比如AD7226、AD7322，要求输入缓冲器、采样保持器在1MHz带宽内提供
12bit的精度。建立时间也是非常重要的：模数转换器的采样率是采样频率的倒数，对于2MHz
模数转换器，采样率为500ns，就是说，低于1us的总吞吐率，输入缓冲器或采样保持电路
的建立时间必须小于500ns。
4.AHighSpeedIn-AmpCircuitforDataAcquisition
数据采集数据采集数据采集数据采集系统系统系统系统的高速仪表放大器电路的高速仪表放大器电路的高速仪表放大器电路的高速仪表放大器电路
Figure7-3showsadiscretein-ampcircuitusingtwoAD825opampsandanAMP03differential
(subtractor)amplifier.Thisdesignprovidesbothhighperformanceandhighspeedatmoderategains.
CircuitgainissetbyresistorRGwheregain=1+2RF/RG.TheRFresistorsshouldbekeptat
around1kΩtoensuremaximumbandwidth.Operatingatagainof10(usinga222Ωresistorfor
RG)the–3dBbandwidthofthiscircuitisapproximately3.4MHz.Theaccommon-moderejection
ratio(gainof10,1Vp-pcommon-modesignalappliedtotheinputs)is60dBfrom1Hzto200kHz
and43dBat2MHz.Anditprovidesbetterthan46dBCMRRfrom4MHzto7MHz.TheRFI
rejectioncharacteristicsofthisamplifierarealsoexcellent—thechangeindcoffsetvoltagevs.
common-modefrequencyisbetterthan80dBfrom1Hzupto15MHz.Quiescentsupplycurrentfor
thiscircuitis15mA.
图7-我所示，为应用两个AD825运算放大器和一个AMP03差动减法器构成的分立式仪表
放大器，该设计方案在中等增益具有兼具高速、高性能。电路增益由电阻RG设定，增益为1
+2RF/RG。RG阻值应在1k?左右，以保证带宽。10倍增益（增益电阻RG取222Ω）
工作时，该电路-3dB带宽约为3.4MHz，共模抑制比（10倍增益、1Vpp共模信号电压输入）
在1Hz~200KHz频率范围内为60dB；在4~7MHz范围内，共模抑制比优于46dB。该
电路还具有非凡的射频干扰抑制特性，直流失调电压变化与共模信号频率的关系，在1Hz~15
MHz频率范围内优于80dB。该电路静态电流15mA。
Forlowerspeedapplicationsrequiringalowinputcurrentdevice,theAD823FETinputopampcan
besubstitutedfortheAD825.
对器件输入电流有要求的低速度的应用，可用场效应管输入的AD823代替AD825。
Thiscircuitcanbeusedtodriveamodern,highspeedADCsuchastheAD871orAD9240,andto
provideveryhighspeeddataacquisition.TheAD830canalsobeusedformanyhighspeed
applications.
该电路可用来驱动现代高速模数转换器，比如AD871或Ad9240，实现高速数据采集。AD830
也可应用于许多高速应用中。
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