9.5 Protecting Low Voltage ADC - Improved Solution

您好！ 欢迎观看 TI 高精度实验室系列有关 ADC EOS 的 下一个视频。 在前一个视频中，我们了解到使用 电阻器和肖特基二极管是保护 ADC 的有效方法。 但是其他器件会影响系统的 性能。 此外，限流电阻需要较高的 额定功率，而这会造成成本和 PCB 尺寸的增加，从而带来不便。 在本视频中，我们将展示一种改进的解决方案， 该解决方案使用具有较低额定功率的 限流电阻来改善交流性能。 如幻灯片所示，改进后的解决方案 将保护电阻置于放大器的反馈 环路内。 在正常工作条件下， 改进配置的输出电阻为 限流电阻 Rp 除以 (1 + β × Aol)。 由于 Aol 非常大，因此有效阻抗 会大大降低，甚至大的保护电阻 也不会影响ADC 的趋稳特性。 此外，在故障条件下， 电阻器仍将限制放大器 可驱动的总电流。 电容器 Cp在较高频率下 充当保护电阻两端的交流短路， 以最大程度地减小 Aol随频率下降时电阻的影响。 该幻灯片显示了反馈环路中 带有保护电阻的电路的 ADC 趋稳 TINA 仿真。 请注意，趋稳误差小于 1LSB 的一半， 这在我们的误差预算之内。 此外，请注意，保护电阻为 1 千欧姆， 而之前电路中的 保护电阻为 249 欧姆。 这里要重点考虑的是， 该电路不仅具有改善的趋稳性能， 而且还具有更好的限流能力。 在下一张幻灯片中，我们将看一下测量的性能。 以下是改进解决方案的测量性能， 它实际上比典型ADC 规格要好。 请注意，FFT 的噪声相对较低， 谐波最小。 另外，请参阅示波器波形， 该波形显示了施加过电压时的钳位信号。 一般来说，您应该使用本视频所示的 改进解决方案。 然而，有些放大器的反馈环路 无法访问。 例如，当使用的放大器为仪表放大器时， 反馈电阻位于器件内部， 您无法对其进行访问， 因此必须使用原始方法。 改进后的解决方案是提高 系统性能以及故障状况 限流保护的 有效途径。 需要注意的是，在放大器的 反馈环路内增加输出阻抗 会影响放大器的稳定性。 因此，使用此方法时，对您的解决方案 进行稳定性测试很重要。 有关更详细的概述，请参阅高精度 实验室系列有关运算放大器稳定性的内容。 左侧显示的是用于测试稳定性的 标准电路。 它本质上是一个开环配置的放大器， 带有一个注入的测试信号。 这些稳定性曲线是通过对电路中的 Vfb、Vo 和 Vout 测试探针进行后处理而生成的。 电路下方显示了用于后处理的 方程式。 它们包括 Aol、1/β和 Aol × β。 右侧显示的是稳定性测试的 仿真结果。 仿真的关键点是 Aol 和 1/β 曲线 相交的点。 在这一点上，我们在 Aol × β 曲线上确定了相位裕度。 这种设计具有 70 度的相位裕度， 这表明电路非常稳定。 一般来说，如果电路的相位裕度超过 45 度， 则认为它是稳定的。 如前所述，此幻灯片对 运放稳定性进行了非常简短的总结。 要了解更多信息，请参阅高精度实验室 系列内容。 本视频的最后一张幻灯片显示了 改进电路的模拟开环和闭环输出阻抗。 对于开环仿真，使用 1 太拉亨利 和 1 太拉法拉大电容器来 断开反馈环路， 从而产生开路。 开环电路测量的输出阻抗是 与放大器的输出阻抗串联的 Rp 和 Cp 并联组合。 在低频时，输出阻抗 由 1 千欧姆电阻控制。 但是，在更高的频率下，1 千欧姆电阻 会被电容器短路，这导致放大器的 输出阻抗变为 主导地位。 闭环输出阻抗曲线表明， 在 Rp 和 Cp并联的情况下， 环路的闭合大大降低了输出阻抗。 回想一下上一张幻灯片， 通过用 1 除以 (1 + Aol×β)， 可以将开环输出阻抗转换为闭环输出阻抗。 在低频时，Aol×β 非常高， 因此闭环输出阻抗非常低。 此效果非常有用，因为它使我们 能够有效地驱动负载，而不会 遇到大的 1 千欧姆电阻。 但是，在故障情况下，1 千欧姆电阻 仍会限制电流。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频 内容的理解。 问题 1 - 对于下面的电路， 传递给负载的电压是多少？ 正确答案是 C。Vout1 等于 4 伏， 而 Vout2 等于 2 伏。 对于左侧的电路，Rp 在反馈环路中， 因此传递给负载的电压为 4 伏。 要了解其中的道理，请记住， 放大器输入之间的虚拟短路 将有效地将 4 伏短路至输出。 对于右侧的电路，放大器的输出 为 4 伏。 但是它被分配在两个电阻上， 因此负载仅获得输出信号的一半。 问题 2 - 对于下面的电路， 传递给负载的电流是多少？ 正确答案是 C。Iout1 等于 12 毫安， Iout2 等于60 毫安。 在这种情况下，非常低的输出电阻 实际上是对输出短路。 左侧放大器的输出电流受 Rp 限制， 大多数 12 伏输出 会在通过 1 千欧姆Rp 时下降。 12 伏电压在 1 千欧姆电阻下会产生 12 毫安电流。 对于另一个放大器，理想情况下， 100 欧姆电阻的输出为 12 伏， 或 120 毫安。 但是，放大器的输出受短路 输出保护的限制。 从右边的曲线看， 在 25 摄氏度时，输出限制在 60 毫安 左右。