ZHCAEC4A June 2019 – August 2024 ADS8860 , LM7705 , OPA320
| 輸入電源 | 輸出電源 |
|---|---|
| 3V 至 5.25V | -0.232V |
設(shè)計(jì)說(shuō)明
本電路文檔介紹了如何使用 LM7705 低噪聲負(fù)偏置發(fā)生器和單個(gè) 3V 至 5.25V 電源創(chuàng)建小型負(fù)電源 (–0.232V)。–0.232V 電源通常用作單電源放大器的負(fù)電源，以便放大器能夠擺動(dòng)至 0V。請(qǐng)注意，放大器無(wú)法完全擺動(dòng)至電源軌，而在接近負(fù)電源軌時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真和削波。例如，基于 OPA320 器件并采用最壞情況下的規(guī)格時(shí)，它可能從距離負(fù)電源 20mV 處發(fā)生削波，并且可能在距離負(fù)電源 100mV 時(shí)變?yōu)榉蔷€性。如果負(fù)電源為地電平，放大器輸出可能會(huì)在低于 100mV 時(shí)出現(xiàn)失真，并且很可能在低于 20mV 時(shí)發(fā)生削波。否則，如果 OPA320 運(yùn)算放大器的負(fù)電源設(shè)置為較小的負(fù)電壓 (–0.232V)，輸出將一直保持線性直至地電平。此電路可用于需要單電源放大器擺動(dòng)至 0V 的任何應(yīng)用。LM7705 使用開關(guān)電容器電壓反相器將 3V 至 5V 的正電源軌轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。相關(guān)電路文檔使用一個(gè) LDO 為雙電源運(yùn)算放大器電路供電 展示了一個(gè)類似的電路。
規(guī)格
| 規(guī)格 | 測(cè)量：負(fù)電源 = GND、正電源 = 5.2V、VIN = 5Vpp（滿量程信號(hào)） | 測(cè)量：負(fù)電源 = –0.232V、正電源 = 5.2V、VIN = 5Vpp（滿量程信號(hào)） |
|---|---|---|
| THD (ADS8860 + OPA320) | -93.2dB | –112.5dB（使用 LM7705） |
設(shè)計(jì)說(shuō)明
- 本文檔中的所有測(cè)量結(jié)果均使用第一頁(yè)所示的元件值得出。上表展示了使用和不使用 LM7705 器件時(shí)，ADS8860 + OPA320 器件的性能。在該示例配置中，將輸入信號(hào)特意驅(qū)動(dòng)至非常接近 ADC 的滿量程輸入范圍。
- 該電路使用開關(guān)電容反相器通過正輸入電源電壓生成負(fù)電源電壓。進(jìn)行此反相轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生電源紋波和噪聲。噪聲通常很小，對(duì)系統(tǒng)性能的影響極小。然而，如果系統(tǒng)具有負(fù)電源，則考慮使用 TPS7A39 LDO 來(lái)生成 –0.2V 電源。請(qǐng)參閱使用一個(gè) LDO 為雙電源運(yùn)算放大器電路供電，了解詳細(xì)信息。將 LDO 解決方案 (TPS7A39) 和開關(guān)電容反相器 (LM7705) 進(jìn)行比較，可發(fā)現(xiàn)通常 LDO 的噪聲最低。在系統(tǒng)沒有負(fù)電源的情況下，使用開關(guān)電容反相器。
元件選型
- 有關(guān)元件選型的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 LM7705 低噪聲負(fù)偏置發(fā)生器數(shù)據(jù)表。該電路的一個(gè)關(guān)鍵問題是來(lái)自 LM7705 器件的時(shí)鐘饋通噪聲?？赏ㄟ^選擇較大的電容器來(lái)盡可能降低此噪聲（請(qǐng)參閱下圖）。選擇大電容器則需要權(quán)衡設(shè)計(jì)的尺寸、成本和復(fù)雜性。
典型放大器的輸出與輸入
下圖展示了當(dāng)輸出接近 0V 時(shí)，典型單電源 CMOS 運(yùn)算放大器的輸出擺幅限制。請(qǐng)注意，該放大器在距離負(fù)電源軌約 0.1V 處變?yōu)榉蔷€性。此外，請(qǐng)注意，輸出在距離負(fù)電源軌 0.25V 處飽和（或削波）。使用一個(gè)小型負(fù)電源 (-0.232V) 即可消除該問題，并且輸出呈現(xiàn)為理想曲線。
負(fù)電源軌上的擺幅限制導(dǎo)致削波
下圖顯示了當(dāng)正弦波形接近接地時(shí)，輸出擺幅限制如何使其出現(xiàn)失真或削波。在本示例中，向運(yùn)算放大器的輸入端施加 5Vpp 信號(hào)，且負(fù)電源連接到 GND 和 –0.232V。正電源連接到 5.2V，因此正電源沒有輸出擺幅限制。請(qǐng)注意，使用接地負(fù)電源的放大器的輸出信號(hào)在接近接地時(shí)出現(xiàn)失真，而使用 –0.232V 負(fù)電源的放大器在接近接地時(shí)未出現(xiàn)失真。
使用和不使用 LM7705 時(shí)測(cè)量的失真與相對(duì)于電源軌的擺幅
下圖展示了使用 –0.232V 負(fù)電源 (LM7705) 和接地負(fù)電源時(shí)，測(cè)得的 OPA320 運(yùn)算放大器（驅(qū)動(dòng) ADS8860 SAR ADC）的 THD。該曲線顯示，使用 0V 負(fù)電源時(shí)，放大器輸出擺動(dòng)至距離電源軌小于 50mV 時(shí)出現(xiàn)失真，而使用 –0.232V 電源時(shí)，放大器輸出未出現(xiàn)失真。
測(cè)得的 FFT 顯示 LM7705 開關(guān)噪聲
以下 FFT 圖顯示了使用 LM7705 器件生成 –0.232V 電源的情況下，測(cè)得的 OPA320 運(yùn)算放大器（驅(qū)動(dòng) ADS8860 SAR ADC）的性能。這里的關(guān)鍵點(diǎn)是，在 92kHz 處可以觀察到開關(guān)電容反相器信號(hào)的噪聲。該噪聲相對(duì)較低，并且對(duì)器件的 SNR 和 THD 影響很小。
| 器件 | 主要特性 | 鏈路 | 其他可能的器件 |
|---|---|---|---|
| LM7705 | 開關(guān)電容電壓反相器，穩(wěn)壓輸出電壓 ?0.232V，輸出電壓紋波 4mVPP，電源電壓 3V 至 5.25V | 低噪聲負(fù)偏置 | TPS7A3901 |
| ADS8860 | 16 位分辨率，SPI，1MSPS 采樣速率，單端輸入，VREF 輸入范圍為 2.5V 至 5.0V | ADS7042 | ADC |
| OPA320 | 20MHz 帶寬、軌到軌（零交叉失真），VOS (MAX) = 150μV，VOS (DriftMAX) = 5μV/°C，en = 7nV/√ Hz | OPA320 | 運(yùn)算放大器 |
設(shè)計(jì)參考資料
有關(guān) TI 綜合電路庫(kù)的信息，請(qǐng)參閱模擬工程師電路手冊(cè)。