基于 LT6015 / LT6016 / LT6017 的运放精准型正压和负压限幅器

本文作者

Tom Mosteller - 现场应用经理

Aaron Schultz - 应用经理 - 信号调理

使一个模拟信号的电压范围与一个模数转换器 (ADC) 的输入范围相匹配会是一项挑战。超过 ADC 的输入范围将给出一个错误的读数，而且如果输入超出电源轨的幅度足够大，则基底电流有可能流入 ADC，从而会引起锁断、或者甚至损坏器件的情况。然而，把输入电压范围限制在较低、更保守的电平则将浪费 ADC 的动态范围和分辨率。

图 1: LT6015 精准型正压和负压限幅器

图 1 所示的简单运放限幅器可防止发生这些问题。可允许的最大输入电压被施加在 U1 的同相输入端，而输出则通过小信号二极管 D1 反馈至反相输入端。ADC 的基准电压可用于限幅基准 (如果它是可用的话)。当输入电压低于基准时，U1 的输出被驱动至正电源轨，而且 D1 被施加反向偏置，因此输入信号不被改变地通过。当输入变至高于箝位电压时，运放输出反向并通过 D1 闭合环路，因而实际上变成了一个至箝位电压的单位增益跟随器。输入电阻器 R1 限制了运放输出必须吸收的电流量。第二个运放 U2 负责执行互补的负压限幅功能，可防止信号变至低于地电位。于是，在该例中输出信号被限制为 4.096V 至 0V 输出。

虽然概念说起来简单，但是该电路对运放提出了独特的挑战。首先，大多数新式运放在输入两端跨接了背对背二极管，以避免给输入施加大的差分电压 (这会导致器件受损或在输入失调电压中产生移位)。在该电路中，这些二极管将防止输出信号变至低于正箝位电压达一个二极管压降以上，或高于负箝位电压的幅度超过一个二极管压降。判定某个给定的运放是否具有这些二极管可能需要做一些检测工作。有些器件的产品手册说明布设了输入二极管，但是其他的器件产品手册则没有这么做。设有二极管的另一种指示是在"绝对最大额定值"部分中把输入电流限制为几 mA。

此外，运放的输出还必须尽可能快地从"未箝位"状态转换至"箝位"状态，旨在对快速上升的信号进行箝位，并不会发生具有潜在危险的过冲。而且，还期望实现运放的轨至轨输入和输出操作，这样它就能在电压接近电源限值的情况下运行。

LT6015 运放系列 (包括 LT6016 双通道和 LT6017 四通道版本) 解决了这些问题。在输入端上没有二极管，因此允许它们具有 ±80V 的差分电压，这不应对任何实际的 ADC 应用强加某种限制。而且，输入电压可变至高于 –V 轨达 80V 或低于 –V 轨达 25V，这使得器件能够安然承受将损坏其他同类器件的输入。

由于允许一个高达 60V 的 V+ 至 –V 电源范围 (与大多数运放相比，这将容许使用该电路对更高的电压实施箝位)，因此 LT6015 的独特性更进一步。另外，该器件还拥有 0.75V/µs 的转换速率，这使其能对相当快的上升信号进行箝位。低于 100µV 的典型失调电压可确保箝位电平非常准确。

图 2: LT6015 正压和负压箝位动作

图 2 示出了采用 ±10V 电源驱动的 LT6015 把一个 7Vpk-pk、1kHz 正弦波箝位在 0V 和 4V。很难看清楚箝位动作，但是如果在输出上采取放大显示，就会看到图 3 中一个小的过冲。

图 3: LT6015 在箝位时的小过冲

在图 4 中，把输入频率增加至 30kHz 清楚地显示：箝位动作不到 10µs 便完成，从而把电路的工作带宽限制在几 kHz。另外，也可通过把电压电源轨限制在接近箝位限制电压 (这降低了输出必须转换以进入箝位模式的电压范围) 来提高箝位速度。由于 LT6015 的输出摆动至非常靠近电源轨，因此所需的额外电压范围极小。

图 4: LT6015 箝位速度

对于该电路的另一个限制是输出电阻由 R1 规定，它必需为几百Ω 以限制运放输出中的电流输出。有些 ADC 需要由一个低电阻进行驱动，因此也许要求采用缓冲放大器 U3。LT6017 四通道封装将允许由单个器件来完成所有这些功能。

LT6015 采用 5 引脚 SOT 封装。LT6016 双通道运放可提供 8 引脚 MSOP 封装。LT6017 则采用 22 引脚无引线 DFN 封装。