当运放用做有源抗混叠滤波器时,至少应使其单位增益带宽应高于低通截止频率。但仅仅满足这个要求还不够,运放的放大倍数不为1时,由于增益带宽积为常数,放大倍数增加,带宽相应减小,当小于低通滤波器截止频率时就不能正常工作了。所以,考虑运放的放大倍数时,可要求单位增益带宽为4“5倍的截止频率。工程上运放的带宽通常取采样频率的2倍以上。

运放建立时间和压摆率

内部集成有采样保持电路的ADC或者是加了简单电容电阻采样保持器的数据采集电路,容易造成较大误差,使ADC损失精度。这主要是因为电路在ADC每次转换结束时,采样开关进行切换,采样电容切换到输入端开始下一次采样。前后两次采样的模拟量之间存在差值,相当于一个阶跃信号输入到运放的输出端,运放如果不能跟上阶跃信号,就会产生误差,当误差大于1LSB时就会造成ADC精度的损失。为避免这种误差,运算放大器应能够在下一次转换启动前,保证输入到ADC(采样/保持电路)的信号在误差带以内(重新建立)。运放能否快速重建,主要考虑它在大信号处理中的速度参数,比如建立时间和压摆率。为保证测量的可信度,考虑最差的情况:两次采样的模拟量之间相差电源电压5V,即假设采样开关切换后,相当于给运放加了一个5V的阶跃信号。

为保证采样的准确性,运放的建立时间与ADC的采样时间应匹配,即只有当ADC采样输入信号的时间长于最差情况下放大器的建立时间时,才能保证转换结果的精度。

对于12位的ADC,为避免误差,假定电压稳定后其误差应小于1/2LSB。每两次采样模拟量的差值作为ADC的输入,假设为Vi,满足最低要求的误差为Vi×a≤LSB/2=(1/2)×(5/212) , Vi最大为5V,所以5×a≤(1/2)×(5/212),即a≤1/213=0.00012≈0.01%。也就是要充分利用ADC,满足精度要求,就要求运放的建立时间短于电压稳定在0.01%以内的时间。并且这个时间t应满足,t≤1/420KHz≈2.38mS(ADuC841的最高采样频率为420KHz)。虽然有很多现代的高速运放能够达到上述建立时间的要求,如OPA211,0.01%的建立时间不足1mS,但在设计ADC的驱动电路仍然需要给与足够的重视。

对于一个给定的输入信号幅度和放大器压摆率(SR),可以求出一个信号频率最大值。在该频率范围内,信号可以被忠实地重建:,其中VP为峰值输出电压。反过来,根据采样速率(fmax)和采样模拟量电压变化的幅值(VP),也可以估算出,ADC对运放压摆率的要求。取输出电压的峰值为两次采样模拟量的差值(5V),可重建的信号频率最大值取420KHz(ADuC841的最高采样率),经计算得SR=2pVP·fMAX=2p·5V·0.42MHz=13.19V/mS。目前高速运放达到上述压摆率也比较容易。如ADI公司的OPA211达到了22V/mS的压摆率。

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