匹配模擬信號(hào)的電壓范圍與模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的輸入范圍可能是個(gè)挑戰(zhàn)。超過(guò) ADC 的輸入范圍將導(dǎo)致不正確的讀數(shù)，而且如果輸入超出電源軌范圍太多，襯底電流就有可能流入 ADC，這有可能導(dǎo)致閉鎖甚至損壞器件。可是，將輸入電壓范圍限制到較低和較保守的水平，又浪費(fèi)了 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率。
圖 1 所示的簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器限幅器防止了上述問(wèn)題。最大可允許輸入電壓加到 U1 的非反相輸入上，輸出通過(guò)小信號(hào)二極管 D1 反饋到反相輸入。ADC 的基準(zhǔn)電壓如果可用，可以用作限幅基準(zhǔn)。當(dāng)輸入電壓低于基準(zhǔn)時(shí)，U1 的輸出被驅(qū)動(dòng)至正軌，D1 被反向偏置，輸入信號(hào)無(wú)改變通過(guò)。當(dāng)輸入高于箝位電壓時(shí)，運(yùn)算放大器輸出反向，通過(guò) D1 關(guān)閉環(huán)路，從而有效地成為一個(gè)單位增益跟隨器，跟隨箝位電壓。輸入電阻器 R1 限制運(yùn)算放大器輸出必須吸取的電流。第二個(gè)運(yùn)算放大器 U2 執(zhí)行互補(bǔ)的負(fù)向限幅功能，防止信號(hào)低于地電平。因此在這個(gè)例子中，輸出信號(hào)限制在 4.096V 至 0V 之間。
圖 1
這個(gè)電路盡管概念很簡(jiǎn)單，但對(duì)運(yùn)算放大器卻有獨(dú)特要求。首先，大多數(shù)新式運(yùn)算放大器在輸入端都跨接了背對(duì)背二極管，以防止大的差分電壓加到輸入上，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致器件損壞，或引起輸入失調(diào)電壓漂移。在這個(gè)電路中，這類二極管會(huì)使輸出信號(hào)低于正箝位電壓的幅度不超過(guò) 1 個(gè)二極管的壓降，或者使輸出信號(hào)高于負(fù)箝位電壓的幅度不超過(guò) 1 個(gè)二極管的壓降。要確定特定運(yùn)算放大器是否有這類二極管，可能需要進(jìn)行某些檢測(cè)。有些器件的數(shù)據(jù)表中顯示存在輸入二極管，有些則不顯示。這類二極管存在的另一指示是，輸入電流的絕對(duì)最大額定值限制在幾 mA。
此外，運(yùn)算放大器輸出必須盡快從“未箝位”轉(zhuǎn)換到“箝位”狀態(tài)，以箝位快速上升的信號(hào)，防止產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)沖。另外還希望運(yùn)算放大器以軌至軌輸入和輸出方式運(yùn)行，以便放大器可以用接近電源限制的電壓工作。
LT6015 系列運(yùn)算放大器包括 LT6016 雙通道和 LT6017 四通道版本，解決了上述問(wèn)題。該系列運(yùn)算放大器輸入沒(méi)有二極管，因此允許接受 +/-80V 的差分電壓，這不會(huì)對(duì)任何實(shí)際 ADC 應(yīng)用造成限制。此外，輸入電壓可以比 V- 軌高 80V 或低 25V，因此該器件能夠承受可能對(duì)其他器件造成損壞的輸入。
LT6015 更加獨(dú)特，該器件允許 V+ 至 V- 電源范圍高達(dá) 60V，與大多數(shù)運(yùn)算放大器相比，這使該器件能夠用來(lái)箝位更高的電壓。LT6015 的轉(zhuǎn)換率為 0.75V/µs，這就使該器件能夠箝位上升速度相對(duì)較快的信號(hào)。低于 100 µV 的典型失調(diào)電壓可確保箝位電平非常準(zhǔn)確。
圖 2 顯示，由 +/-10V 電源驅(qū)動(dòng)的 LT6105 將一個(gè) 7V 峰至峰值 1kHz 正弦波箝位在 0V 至 4V。在圖中很難看到箝位動(dòng)作，不過(guò)如果將輸出放大，在圖 3 中可以看到一個(gè)小的過(guò)沖。在圖 4 中，將輸入頻率提高到 30kHz 后可以顯示出，箝位動(dòng)作所用時(shí)間不到 10µs，從而將該電路的工作帶寬限制到幾 kHz。通過(guò)限制電源電壓軌，使其接近箝位限制電壓，還可以提高箝位速度，這減小了輸出要進(jìn)入箝位模式而必須轉(zhuǎn)換的電壓范圍。既然 LT6105 的輸出在非常靠近電源軌的范圍內(nèi)擺動(dòng)，那么幾乎不需要額外擴(kuò)大電壓范圍。
圖 2
圖 3
圖 4
這個(gè)電路的另一個(gè)限制是，輸出阻抗由 R1 決定，該阻抗必須至少是幾百歐姆，以限制運(yùn)算放大器的輸出電流。有些 ADC 必須由低阻抗驅(qū)動(dòng)，因此也許需要緩沖放大器 U3。采用四通道 LT6017 就可以用單個(gè)器件完成所有這些功能。
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