一种数模信号转换的实际案例介绍（二）

第4步：为运算放大器找到最大增益并定义搜索条件

有了ADC的输入电压范围将有助于我们设计增益模块。为了最大化动态范围，我们需要在给定的输入信号和ADC输入范围内选取尽可能高的增益。这意味着我们可以将该例子中的增益模块设计成具有10倍的增益。

虽然AD7685很容易驱动，但驱动放大器需要满足某些要求。例如，为保持AD7685的SNR和转换噪声性能，驱动放大器产生的噪声必须尽可能低，但要注意增益模块可同时放大信号和噪声。若要使得噪声在增益模块前后都保持不变，我们需要选择具有更低噪声值的放大器和相关元件。

此外，驱动器的THD性能应与AD7685相当，并且必须使ADC电容阵列以16位水平(0.0015%)建立满量程阶跃。来自放大器的噪声可使用外部滤波器进一步过滤。

运算放大器的输入端允许多大的噪声?牢记我们设计的总体解决方案的噪声密度不超过416 nV/rt-Hz。我们设计的增益模块应具有更低的本底噪声，系数为10，因为我们的增益为10。

这将确保来自放大器的噪声远低于传感器的本底噪声。计算噪声裕量时，我们可假设运算放大器输入端的噪声大致等于运算放大器的总噪声加上ADC的噪声。

第5步：找到最佳放大器并设计增益模块

知道了输入信号带宽后，运算放大器选型的第一步是选择一个具有合理的增益带宽积(GBWP)的运算放大器(GBWP)，并且该放大器可以最小的直流和交流误差处理该信号。为得到最佳的增益带宽积，需要知道信号带宽、噪声增益以及增益误差。下文给出这些术语的定义。

一般而言，若想保持增益误差小于0.1%，推荐选用增益带宽比输入信号带宽大100倍的放大器。另外，我们需要一个可快速建立且驱动能力良好的放大器。

注意，我们的噪声预算要求运算放大器输入端的总噪声低于40.8 nV/rt-Hz，而ADC规定的指标为7.9-nV/rt-Hz。总结运算放大器的查找条件如下：UGBW》1MHz、5-V单电源、良好的电压噪声、电流噪声、THD特性、低直流误差(不降低ADC性能)。

搜索ADC时采用相似的查找方法，本例我们选出AD8641。AD8641为低功耗、精密JFET输入放大器，具有极低的输入偏置电流和轨到轨输出特性，可在5 V至26 V电源下工作。相关数据在下表中列出。我们可采用表中的元件值对运算放大器进行同相配置。

所有有源和无源元件都各自产生噪声，因此选择不降低性能的元件尤其重要。例如，购买一个低噪声运算放大器并在其周围放置大电阻就是一种浪费。牢记一个1 kohm的电阻器可产生4 nV的噪声。

图3 完整的解决方案

表1 图3所示的完整解决方案的元件值

图5 图3所示电路的带宽模拟

如前所述，可考虑在ADC和该增益模块之间使用一个RC滤波器，这样应该有助于缩小带宽并优化SNR。

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