Impactos práticos da comutação de fontes de alimentação em amplificadores operacionais
Antes de entrar no chip ADC, os sinais analógicos geralmente requerem condicionamento de sinal usando amplificadores operacionais para fornecer a conversão de nível necessária, filtragem, acionamento do chip ADC e assim por diante. Quando o amplificador operacional faz interface com o ADC, ele é facilmente afetado pela fonte de alimentação, o que também afeta a estabilidade da aquisição de dados do chip ADC. A Figura 2 é um diagrama de interface típico de um amplificador operacional e ADC.
A maioria dos chips ADC possui um capacitor de amostragem Cin na extremidade da entrada analógica e o resistor R1 limita a saída de corrente do amplificador operacional. O capacitor cerâmico C1, que é várias vezes maior que o capacitor de amostragem, carrega rapidamente o capacitor de amostragem Cin através de C1 quando a chave SW é fechada. Os valores específicos de R1 e C1 estão relacionados à estabilidade do amplificador operacional, tempo de configuração, tempo de amostragem ADC e precisão de amostragem necessária.
Deve-se ressaltar que a fonte de alimentação do amplificador operacional também desempenha um papel significativo no processo acima. Durante o processo de carregamento do capacitor pelo amplificador operacional, uma grande corrente é necessária instantaneamente, e o tempo de resposta de carga da fonte de alimentação chaveada é insuficiente, o que causará ondulação de potência significativa e afetará a saída do amplificador operacional. Por exemplo, se C1=10Cin=250pF, quando SW muda de outro canal (assumindo -5V) para o canal AI0 (assumindo+5V), Cin muda de -5V para a tensão em C1+5V, e C1 carrega Cin rapidamente. A tensão final é (5V × 10-5V)/11=4.09V, e a saída do amplificador operacional precisa mudar de 5V para 4,09V. Se R1 for muito pequeno, pode facilmente causar problemas de estabilidade na saída do amplificador operacional e também impactar a corrente de saída do amplificador operacional, afetando a tensão da fonte de alimentação.
Especialmente ao usar uma bomba de carga para fornecer uma pequena fonte de alimentação negativa ao amplificador operacional VCC, a característica de que a tensão de saída da bomba de carga diminui com o aumento da carga torna o efeito mais pronunciado. A comparação mostra que quando o amplificador operacional usa uma fonte de alimentação reguladora linear DC, os resultados de aquisição ADC de 12 bits são muito estáveis e a variação do resultado pode chegar a menos de 1LSB; Por outro lado, ao usar dispositivos de bomba de carga, se não houver filtragem significativa na saída da bomba de carga, o resultado da aquisição do ADC pode atingir até 3LSB. Se R1 for aumentado para 100 Ω, C1=10Cin, ao não considerar a resistência de saída do amplificador operacional, a corrente de saída máxima do amplificador operacional precisa ser (5-4,09) V/100 Ω=9.1mA, que é menor que a corrente de saída máxima de um amplificador operacional típico. Mas se R1 for muito grande, reduzirá significativamente a frequência do sinal que o ADC pode coletar. Durante o "rastreamento" deste canal pelo ADC, o amplificador operacional não consegue completar o carregamento de C1 e Cin, resultando em uma grande diferença entre a amostragem e a tensão de entrada do amplificador operacional, o que causará distorção harmônica.
