【導讀】如果要設計一種負責測量多個(gè)模擬電壓(但不是所有同時(shí)測量)的系統，可以通過(guò)把測量結果多路復用為單個(gè)輸出信號來(lái)簡(jiǎn)化下游電路，隨后采用共享組件對原始電壓電平進(jìn)行串行處理和數字化。這么做的好處是信號鏈路組件的數目和尺寸將比采用“按每個(gè)通道進(jìn)行設計”時(shí)所需的小得多。正確地實(shí)現一種多路復用解決方案需要注意幾個(gè)細節，特別是假如您希望在通道之間實(shí)現快速切換、進(jìn)行準確的測量和保持低功耗。
引言
如果要設計一種負責測量多個(gè)模擬電壓(但不是所有同時(shí)測量)的系統，可以通過(guò)把測量結果多路復用為單個(gè)輸出信號來(lái)簡(jiǎn)化下游電路，隨后采用共享組件對原始電壓電平進(jìn)行串行處理和數字化。這么做的好處是信號鏈路組件的數目和尺寸將比采用“按每個(gè)通道進(jìn)行設計”時(shí)所需的小得多。正確地實(shí)現一種多路復用解決方案需要注意幾個(gè)細節，特別是假如您希望在通道之間實(shí)現快速切換、進(jìn)行準確的測量和保持低功耗。
快速響應
多路復用增加了組合信號的頻率含量，這是因為當每次多工器切換通道，多路轉換信號都將改變數值。即使輸入信號并沒(méi)有快速地變化，多路轉換信號也會(huì )快速改變，因此位于多工器之后的任何電路都必須對這些轉換做出快速響應。例如，倘若輸出信號在讀取下一個(gè)通道之前未完全穩定至目標準確度，則某個(gè)給定通道的測量值會(huì )取決于前一個(gè)通道的數值，這相當于通道至通道串擾。
由于多工器的導通電阻不是零，因此常常需要采用一個(gè)運放來(lái)緩沖輸出。圖1示出了一款多路轉換的電路，其在MUX之前給每個(gè)通道布設一個(gè)運放，而在MUX之后則安置一個(gè)共享運放。這里我們考慮的是下游共享運放的性能。
圖1：多路轉換的系統。位于輸入端的LT6011緩沖器具有高輸入阻抗。位于MUX之后的LT6020能在MUX改變通道時(shí)快速轉換。LT6020特殊的輸入電路可避免在MUX輸入端上出現電壓毛刺
具有低功耗的運放之速度往往很慢。特別地，運放的擺率通常與運放的電源電流緊密相關(guān)。這是因為可用于給內部電容器充電的電流占運放總電源電流的一個(gè)固定比例。
另一方面，LT6020運放的擺率要比您依據其低電源電流所預計的高得多。該器件實(shí)現這一非凡功能的方法是根據輸入階躍的大小來(lái)調節擺率，因此大輸入階躍和小輸入階躍的處理速度一樣快。
圖2a和2b比較了LT6020和一款具有相似功耗的傳統運放對于瞬態(tài)階躍響應的影響。對于傳統的運放，大信號響應比小信號響應慢得多。然而LT6020對一個(gè)10V階躍和一個(gè)±200mV階躍的響應一樣干凈。由于具有這種快速轉換和迅速穩定至一個(gè)新數值的能力，加上仍然僅吸收100μA的電源電流，因而使得LT6020成為布設在多工器之后的緩沖器之上佳選擇。
圖2a：對于小的輸出信號，LT6020的運作情況與具有相同功率級別的其他運放相似。響應受增益帶寬的支配。
圖2b：對于大的輸出信號，與功率級別相似的其他運放相比，LT6020維持了信號保真度。響應受擺率的支配。
圖3a：一旦控制信號(上方掃跡)改變MUX通道，LT6020輸出(下方掃跡)將從前一個(gè)通道上的電壓轉換至下一個(gè)通道。中間的掃跡顯示的是至多工器的輸入，其幾乎沒(méi)有電壓毛刺。
圖3b：與圖3a相同的配置，但是在多工器之后布設了一個(gè)傳統運放(LT6011)。至多工器之輸入上的信號(中間掃跡)表明：由于有電流流過(guò)多工器并進(jìn)入運放的保護二極管，因此出現了明顯的毛刺。
避免毛刺
即使安放在多工器之后的運放足夠快，但還有另一個(gè)重要細節常常被忽視。大多數高精度運放都具有跨接在輸入級兩端的內部保護二極管，旨在避免給輸入級上敏感的雙極晶體管施加反向偏置。當多工器從一個(gè)通道切換至下一個(gè)通道時(shí)，一個(gè)終端上的輸入電壓快速改變，而輸出(因此包括反饋節點(diǎn))則尚未改變。這將導致一個(gè)大的電流尖峰流過(guò)內部保護二極管。這個(gè)電流來(lái)自哪里呢?其一定來(lái)自于連接至多工器之輸入的電路。如果該電路為高阻抗，或者速度緩慢，那么此電流尖峰將引起一個(gè)電壓毛刺。系統的輸出隨后將試圖跟隨該輸入電壓毛刺，所以直到此電壓毛刺自行化解之后輸出才能準確地穩定。
LT6020運放提供了一款針對該問(wèn)題的獨特解決方案。其輸入器件不僅非常準確，而且具備足夠的堅固性以容許超過(guò)5V的反向偏置。于是，負責保護輸入的是一對背對背齊納二極管，而不是內部保護二極管。因此，對于5V或以下的輸入階躍，不會(huì )出現電流尖峰。如圖3a和3b所示，LT6020運放在傳感器的輸出上幾乎未引起電壓毛刺，而傳統的高精度運放(以L(fǎng)T6011為例)則會(huì )引起一個(gè)大的電壓毛刺。
結論
把高精度信號正確地多路復用為一個(gè)輸出信號需要謹慎地關(guān)注細節。LT6020利用一組獨特的特性簡(jiǎn)化了多路復用解決方案的設計。例如，其擺率與處于這種低電源電流水平的其他運放相比要快得多，從而使之能夠對通道變化做出快速響應。另外，其獨特的輸入保護方案還可避免出現電流尖峰，而當采用傳統的高精度運放時(shí)，這種電流尖峰將在通道切換期間引起上游干擾。
（來(lái)源：中電網(wǎng)）
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