集成直流對(duì)數(shù)放大器

現(xiàn)有的直流對(duì)數(shù)放大器

圖3所示功能框圖給出了一個(gè)典型的當(dāng)代直流對(duì)數(shù)放大器(MAX4206)的結(jié)構(gòu)。與以前的放大器相似，現(xiàn)今的直流對(duì)數(shù)放大器也采用了運(yùn)算放大器輸入結(jié)構(gòu)、BJT反饋、差分放大器和溫度補(bǔ)償電路等。為省去射極的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓，重新布置了BJT晶體管電路的連接，以便于實(shí)現(xiàn)單電源工作。內(nèi)置通用運(yùn)算放大器，可用于實(shí)現(xiàn)后面的增益、失調(diào)調(diào)整甚至PID控制電路。


圖3. 典型的直流對(duì)數(shù)放大器，如MAX4206，集成了微調(diào)電位器和輸出放大器等元件。因此只需要極少的外圍元件即可正常工作。

與以前放大器不同的是，現(xiàn)在的對(duì)數(shù)放大器在微小的封裝(MAX4206采用4mm x 4mm、16引腳TQFN封裝) 內(nèi)集成了所有的電子電路。2001年以前，只能購(gòu)買到體積較大、采用DIP封裝的直流對(duì)數(shù)放大器，其引腳數(shù)量在14至24之間。這些早期產(chǎn)品價(jià)格保持在20至100美元之間，而現(xiàn)在的替代產(chǎn)品價(jià)格為5至15美元之間。

單電源工作是一些現(xiàn)代直流對(duì)數(shù)放大器的一項(xiàng)新革新，非常適合單電源工作的ADC/系統(tǒng)。MAX4206既可采用+2.7V至+11V單電源供電，也可采用±2.7至±5.5V雙電源供電。采用單電源供電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)后果，即這些對(duì)數(shù)放大器通常在其輸入端保持一個(gè)典型值為0.5V的共模電壓，以正確偏置求對(duì)數(shù)BJT。由于這些對(duì)數(shù)放大器是電流輸入器件，對(duì)于大多數(shù)電流測(cè)量應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)由內(nèi)部產(chǎn)生的共模電壓通常不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

現(xiàn)在大部分直流對(duì)數(shù)放大器普遍提供片內(nèi)電流基準(zhǔn)。該基準(zhǔn)可連接至對(duì)數(shù)放大器的基準(zhǔn)輸入，從而可以對(duì)對(duì)數(shù)放大器的主電流輸入進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，而不是比例測(cè)量。對(duì)于MAX4206，其基準(zhǔn)電流通過(guò)0.5V直流電壓源、電壓-電流轉(zhuǎn)換器和一個(gè)10:1電流鏡產(chǎn)生。需要采用外部電阻來(lái)設(shè)置所需的基準(zhǔn)電流。

直流對(duì)數(shù)放大器還有另一個(gè)新特點(diǎn)，有些對(duì)數(shù)放大器提供片內(nèi)電壓基準(zhǔn)，用于調(diào)節(jié)通用運(yùn)算放大器的放大器失調(diào)。該基準(zhǔn)也可用于其它通用目的。

應(yīng)用實(shí)例

毫無(wú)疑問(wèn)，直流對(duì)數(shù)放大器的大多數(shù)應(yīng)用涉及光信號(hào)測(cè)量。通常采用兩種方案。在第一種方案中，單個(gè)光電二極管連接至對(duì)數(shù)輸入，而基準(zhǔn)電流連接至基準(zhǔn)輸入。第二種方案采用兩個(gè)光電二極管，一個(gè)連接至對(duì)數(shù)輸入，另一個(gè)連接至基準(zhǔn)輸入。需要測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度絕對(duì)值時(shí)采用第一種方案，第二種方案用于光信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)比例(“對(duì)數(shù)比”)測(cè)量。

圖4給出了這兩種方案的常用電路。在圖4(a)中，單個(gè)光電二極管通過(guò)檢測(cè)光纖連接器(1％)輻射出的光信號(hào)來(lái)測(cè)量光纖通道的光信號(hào)強(qiáng)度。圖中所示為一個(gè)PIN光電二極管，也可以采用雪崩光電二極管實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量靈敏度(如果采用高電壓來(lái)偏置光電二極管，應(yīng)采取正確的電源安全措施)。由于光電二極管的輸出電流通常與輸入光功率成線性關(guān)系(光電二極管靈敏度典型值為0.1A/mW)，并且MAX4206可工作于5個(gè)10倍程動(dòng)態(tài)范圍，因此這種電路能夠可靠測(cè)量10µW至1W的光纖光信號(hào)強(qiáng)度。注意，盡管MAX4206能夠保證工作在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)，工作溫度和光信號(hào)頻率的變化會(huì)顯著影響光電二極管的性能。


圖4a. 通過(guò)在對(duì)數(shù)放大器輸入端放置一個(gè)光電二極管，可輕松實(shí)現(xiàn)測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)應(yīng)用。

對(duì)于光電二極管陽(yáng)極保留用于其它電路的情況，例如許多光纖模塊中的高速跨阻放大器(TIA)，可以采用精密電流鏡/監(jiān)視器置于光電二極管陰極。MAX4007系列產(chǎn)品非常適合于這種應(yīng)用。請(qǐng)參考MAX4206和MAX4007的數(shù)據(jù)資料，了解更多詳細(xì)信息。

當(dāng)對(duì)數(shù)應(yīng)用采用兩個(gè)光電二極管時(shí)，其目的是對(duì)比基準(zhǔn)光源信號(hào)和基準(zhǔn)光源衰減后的光信號(hào)。在這種方式下，可以獨(dú)立于光源光信號(hào)強(qiáng)度(或者至少在光信號(hào)強(qiáng)度變化不大時(shí))，測(cè)量給定介質(zhì)造成的衰減。這種應(yīng)用在許多光學(xué)氣體傳感器中非常普遍。在圖4(b)中，光源輸出被等分成兩路。第一路入射到基準(zhǔn)PIN光電二極管，其陽(yáng)極饋入MAX4206的REFIIN輸入。另一路經(jīng)過(guò)90°鏡面反射，通過(guò)測(cè)試介質(zhì)，入射到另一個(gè)PIN光電二極管(連接至LOGIIN輸入)。當(dāng)基準(zhǔn)光電二極管電流校準(zhǔn)為1mA時(shí)，另一光電二極管的電流將小于或等于1mA，大小取決于光信號(hào)的衰減。通過(guò)將基準(zhǔn)輸入電流鎖定為1mA或者偏小的數(shù)值，可充分利用MAX4206的5個(gè)10倍程寬動(dòng)態(tài)范圍。


圖4b. 對(duì)數(shù)比例應(yīng)用采用兩個(gè)光電二極管，通常用于測(cè)量光信號(hào)衰減。