如何用运算放大器构成最精确的限幅器

文章作者

凌力尔特公司

应用经理 Aaron Shultz

现场应用工程师 Thomas Mosteller

匹配模拟信号的电压范围与模数转换器 (ADC) 的输入范围可能是个挑战。超过 ADC 的输入范围将导致不正确的读数，而且如果输入超出电源轨范围太多，衬底电流就有可能流入 ADC，这有可能导致闭锁甚至损坏器件。可是，将输入电压范围限制到较低和较保守的水平，又浪费了 ADC 的动态范围和分辨率。

图 1 所示的简单运算放大器限幅器防止了上述问题。最大可允许输入电压加到 U1 的非反相输入上，输出通过小信号二极管 D1 反馈到反相输入。ADC 的基准电压如果可用，可以用作限幅基准。当输入电压低于基准时，U1 的输出被驱动至正轨，D1 被反向偏置，输入信号无改变通过。当输入高于箝位电压时，运算放大器输出反向，通过 D1 关闭环路，从而有效地成为一个单位增益跟随器，跟随箝位电压。输入电阻器 R1 限制运算放大器输出必须吸取的电流。第二个运算放大器 U2 执行互补的负向限幅功能，防止信号低于地电平。因此在这个例子中，输出信号限制在 4.096V 至 0V 之间。

图 1

这个电路尽管概念很简单，但对运算放大器却有独特要求。首先，大多数新式运算放大器在输入端都跨接了背对背二极管，以防止大的差分电压加到输入上，因为这可能导致器件损坏，或引起输入失调电压漂移。在这个电路中，这类二极管会使输出信号低于正箝位电压的幅度不超过 1 个二极管的压降，或者使输出信号高于负箝位电压的幅度不超过 1 个二极管的压降。要确定特定运算放大器是否有这类二极管，可能需要进行某些检测。有些器件的数据表中显示存在输入二极管，有些则不显示。这类二极管存在的另一指示是，输入电流的绝对最大额定值限制在几 mA。

此外，运算放大器输出必须尽快从"未箝位"转换到"箝位"状态，以箝位快速上升的信号，防止产生危险的过冲。另外还希望运算放大器以轨至轨输入和输出方式运行，以便放大器可以用接近电源限制的电压工作。

LT6015 系列运算放大器包括 LT6016 双通道和 LT6017 四通道版本，解决了上述问题。该系列运算放大器输入没有二极管，因此允许接受 +/-80V 的差分电压，这不会对任何实际 ADC 应用造成限制。此外，输入电压可以比 V- 轨高 80V 或低 25V，因此该器件能够承受可能对其他器件造成损坏的输入。

LT6015 更加独特，该器件允许 V+ 至 V- 电源范围高达 60V，与大多数运算放大器相比，这使该器件能够用来箝位更高的电压。LT6015 的转换率为 0.75V/µs，这就使该器件能够箝位上升速度相对较快的信号。低于 100 µV 的典型失调电压可确保箝位电平非常准确。

图 2 显示，由 +/-10V 电源驱动的 LT6105 将一个 7V 峰至峰值 1kHz 正弦波箝位在 0V 至 4V。在图中很难看到箝位动作，不过如果将输出放大，在图 3 中可以看到一个小的过冲。在图 4 中，将输入频率提高到 30kHz 后可以显示出，箝位动作所用时间不到 10µs，从而将该电路的工作带宽限制到几 kHz。通过限制电源电压轨，使其接近箝位限制电压，还可以提高箝位速度，这减小了输出要进入箝位模式而必须转换的电压范围。既然 LT6105 的输出在非常靠近电源轨的范围内摆动，那么几乎不需要额外扩大电压范围。

图 2

图 3

图 4

这个电路的另一个限制是，输出阻抗由 R1 决定，该阻抗必须至少是几百欧姆，以限制运算放大器的输出电流。有些 ADC 必须由低阻抗驱动，因此也许需要缓冲放大器 U3。采用四通道 LT6017 就可以用单个器件完成所有这些功能。