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(多图) 切换模拟或数字信号的开/关缓冲器

Liviu Pascu?? Kepco?? Flushing?? NY?? 2006年08月01日 ?? 收藏0

  很多应用都需要使用在数字控制下切换模拟信号或数字信号的方法。这种开关的期望规格包括:当开关处于关断状态时,衰减小于90 dB;当开关处于打开状态时,失真不大于0.002%;以及能在10ms以内响应开、关命令的能力。另外,电路应能适应正、负信号,两种信号极性下均不出现开、关过冲。还可能要求电路的控制输入必须能接受大多数逻辑系列器件的数字信号,以及电路的SNR应大于90 dB。

  图1中的电路包括一个低噪声、高速精密运算放大器IC1(Linear 技术公司的LT1007),和Maxim公司的MAX301双SPST、常开模拟开关IC2,它们满足了上述要求。在电路中,VIN 是输入电压,VOS和lOS表示运放IC1两种极性下的电压与电流偏移。IOFF表示模拟开关IC2每一部分的关闭状态泄漏电流。在缓冲器电路中,R1=R2=R且R4=R/2。因此,ΔR=(R1×R2)/(R1+R2)-R4

  如果所有电阻器都取相同值,则ΔR等于零。但是,每个电阻器都有自己的公差,则ΔR的公式扩展为:

切换模拟或数字信号的开/关缓冲器公式

  其中e1~e4为最大公差±1%。ΔR的最差值出现在R1和R2公差e1与e2有相同符号,而R4

差e4有相反符号时:

切换模拟或数字信号的开/关缓冲器公式

  进一步简化,当R1、R2和R4使用1%公差电阻器时,ΔR=±R|e|=±{(0.01)R}。缓冲器的精度由下列因素确定:电阻器公差、运放内部误差,以及开关IC2A和IC2B的泄漏效应。当电路接通时,IC2A和IC2B均打开。下式确定了电路的输出电压:

切换模拟或数字信号的开/关缓冲器公式

  再作简化,可以计算出VOUT(ON)如下:VOUT(ON)=-(VIN)+VOS+(lOS×ΔR)+(IOFF×R)。

  今天绝大多数固态开关的IOFF均小于1nA,为IC1选择运放时可以选择VOS小于50mV,lOS小于50 nA。这样,按照图1中的电阻器值,放大器导通状态下最大误差大约为80mV,或10V标称输出的0.0008%。解出下式就可确定放大器负载电阻的最小允许值:

切换模拟或数字信号的开/关缓冲器公式

  其中VSAT表示运放的最大饱和输出电压,对±15V电源电压而言,这个值通常是13.5V。例如,按照图1中的电阻器阻值,并假设最大输出电压为10V,就可以计算出最小允许负载电阻为3.3 kΩ。

  另外,IC1的电流IAMP也应小于器件规定的最大输出电流:IAMP=(VOUTMAX)×[(1/R2)+(1/RLOAD)]。利用这些值就可以确定 IAMP为3.5 mA,这小于大多数运放可以提供的电流值。当放大器关断时,开关IC2A和IC2B均关闭。此时,最差情况下的输出在VINMAX下出现。IC1的偏置误差对满程输入电压来说可以忽略。因此,在实际情况下,IC2A和IC2B的导通电阻大大小于负载电阻,下式定义了电路的输出电压:VOUTOFF=-[(VIN×R2×RON×RON)/(K1+K2+K3-K4)],其中:K1=R1×R2×R3,K2=R1×R3×RON,K3=R1×RON×RON而K4=R1×R2×RON。当R1=R2=R及RON<ON<3时,公式简化为:VOUTOFF=-[(VIN×RON×RON) (R×R3)]。

  今天很多模拟开关都有最大20Ω的导通电阻,使用图1中的电阻器阻值以及10V的输入电压,就可以计算出输出电压约为200mV,或10V标称输出的0.002%。放大器IC1的转换速率限制了电路的动态性能,因为模拟开关IC2通常的转换时间远小于1ms。如选择转换速率为1.5V/ms的运放,则电路响应时间为10ms。

  对于放大器处于关闭状态下需要双极性输出的应用,可以在缓冲器输出与所需偏压相同极性的电源电压之间连接一个电阻器R5,从而增加一个已知输出偏压。注意IC1的输出必须能够吸入电流。增加的电阻器R5不会影响电路导通状态下的输出电压,因为闭环增益降低了放大器的输出阻抗。

  为了分析电路的输出偏压,假设 IC2A和IC2B的导通电阻远小于 RLOAD、R2和R5。下式分别定义了电路的正、负输出偏压,VOUT(OS)和-VOUT(OS)

切换模拟或数字信号的开/关缓冲器公式

  为了使偏压不依赖输入信号,用下式计算出R5的最大值:

切换模拟或数字信号的开/关缓冲器公式

  使用图1中的电阻器阻值求解此式,得到一个2 mV的最小可靠偏压,R5的值必须等于或小于150 kΩ。IC1的最大电流吸入能力决定了R5的最小值。

适用于模拟或数字信号的缓冲开关


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模拟或数字信号? 开/关缓冲器? Maxim?

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