单极性ADC的输入范围和配置介绍

简介

传感器输出与ADC接口的最常见问题之一是：如何让X V到Y V的信号范围适应ADC的输入范围。 本文介绍多种不同的配置，其利用单通道或双通道运算放大器来缩放信号并进行电平转换，以使单极性ADC的范围最大。 通常，无论单端还是差分，单极性ADC的输入范围都是从地到VREF电压。 本文还会介绍常见全差分放大器（FDA）配置。

对于给定功率水平，FDA可实现最佳性能，但合适的FDA并不是总能找到。不过，单通道和双通道运算放大器的选择范围更广，可用来构建定制前端。 本文旨在介绍不同的配置，讨论各种配置的用法和利弊，但并不涉及选择适当的放大器及周边无源元件等细节，因为后者须视具体情况而定。

单端/伪差分输入ADC

单端/伪差分ADC常常是低分辨率或低性能转换器，提供简单的低功耗信号链，只有一条信号路径。 但是，它并不具备差分输入的噪声抑制能力或额外信号摆幅。

单位增益驱动器

这是一种纯粹的ADC驱动功能，无信号调理。 当前一级的驱动能力不够时，它为ADC提供高输入阻抗。 这种配置的噪声和功耗最低，因为没有附加电阻。 在单电源应用中，信号摆幅可能会受输入或输出放大器裕量要求的限制。 对于差分输入，可利用两个单位增益驱动器来实现高阻抗输入，参见CN0307。

同相配置

允许给输入信号增加增益。 应注意，增加增益引起的放大器带宽降低并不影响驱动ADC输入。 这对所有配置都是如此。 实例参见CN0042。

带衰减/增益和电平转换的反相配置（+/-5/10V输入）

通过R2/R1衰减，支持输入电压范围超出放大器电源电压。 这可以用于标准工业+/-10V IO。 放大器输入共模电压由R3/R4分压器从基准电压获得。 设置适当的R3/R4比值，以将信号电平转换到ADC共模电压Vref/2。 常见比值参见下表。 ADC输入端出现的信号反相，这可以通过数字方式来纠正。 实例参见CN0194/CN0254。

全差分输入ADC

全差分输入ADC提供更高的分辨率和性能，但信号链也更为复杂，功耗会增加。 差分信号链提供更好的噪声抑制能力和更大的信号摆幅（为单端ADC的两倍）。 多数差分单极性ADC要求将输入共模设置为Vref/2，以使信号摆幅最大。 这可能需要对输入信号进行电平转换。

单端至差分转换

这是差分ADC需要使用的最常见配置之一，因为传感器输出是单端信号，或者前一级是仪表放大器。 以下配置显示了执行单端差分转换的不同方法及其利弊。

高阻抗情况下的单端差分转换

此电路可在需要高输入阻抗的情况下执行单端差分转换，但裕量要求会提高。 该配置中，R1=R2，R3=R4，Vsig范围是0-Vref。 将R1连接到Vsig而不是第一个放大器的输出端，可以降低噪声，并使IN+与IN-之间的相位延迟匹配得更好。 其代价是R1值会设置一个阻性输入。

单电源情况下的单端差分转换

对于单电源，可以利用轨到轨输出（RRO）放大器实现单端差分转换，对裕量的影响极小。 其代价是阻性输入。 该配置中，R1=R2，R3=R4，R5=R6，输入范围是0-Vref。

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