使用AD8618设计ADC信号调理电路随笔

使用AD8618设计ADC信号调理电路随笔

最近需要设计DCDC控制板的信号调理电路，受益良多，记录一下。
1、电压电流传感器参数如下：
2、输出电压±5V，DSP的ADC输入信号为0-3V，留出裕量，取0.3-2.8V。
3、采集的信号为直流，但需要测量瞬时信号，因此拟取调理电路带宽至少大于10kHz。
4、根据输入输出电压范围，调理电路使用移位型直接耦合同相放大电路实现：

5、运放选型：参考CREE的逆变器设计参考，官网看了半天，最终选择了ADI的AD8618四通道运放，不得不说这款运放性能真的好，
单电源供电，GPB高达24MHz，输入失调电流最高0.5pA，压摆率12V/us,开环输出阻抗3Ω,具体参数见官方文档
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8615_8616_8618.pdf
6、选择3.3V供电电压（用3.3V可以避免使用外部限幅），上图中的电阻计算公式可参考西交大analog-circuit书第四部分P150，这里就不详细计算了。总之最终目的就是将传感器输出的-5V-5V的电压衰减并移位到0.3-2.8V。
7、刚开始没有注意到传感器参数要求负载电阻≥10kΩ，直接机械的参考了CREE的设计，选了一组阻值相近的电阻，但是通过TINA仿真发现，输入阻抗只有7kΩ多，这时候就有疑惑了，按说同相比例放大电路的输入阻抗是非常大的，基本上跟运放本身的输入阻抗差不多，这时再来分析这个电路：

R1 = 6.19K
R2 = 3.24K
R4 = 1.54K
R5 = 5.49K
计算输入阻抗时把VD接地，此时R2和R5并联，后面的同相电压跟随器其输入阻抗Rin大于1MΩ，这样相当于输入阻抗为
R1 + R5//Rin//R2，粗略估计一下，R5//Rin//R2肯定小于R2，我们取2k，再加上R1大约8k左右，跟仿真结果差不多！
为什么同相放大电路输入阻抗会这么小呢？原因是其输入有R2和R5两个电阻，这样就形成了一个并联支路，相当于后端的运放兆欧级输入阻抗和前端一个很小的电阻并联，其结果当然不会很大。
知道这一点后面就简单了，只要把这四个电阻等比例增大一定程度，使电路等效输入阻抗大于10k即可。到这里才明白，为什么传感器公司的技术支持建议传感器输出接一级电压跟随器，目的就是增大传感器的负载电阻，为什么我没有用呢？因为传感器的输出是±5V的双极性电压，所以跟随器的运放必须双电源供电，还得单独搞一个-5V的电源，麻烦！
当然上图R1、R2、R4、R5也不能太大，否则容易引入噪声，最终的调理电路如下：

8、输出接了一个RC低通滤波，关于RC的设计，也可参考西交大的这本神书。

输出对地接大电容负载是很危险的，容易引起过冲和振铃、电路不稳定，甚至自激振荡。

一阶低通在-3dB处带来-45°相移，-6dB处带来-60°相移，这样已经将相位裕度基本消耗完了，电路容易失稳。个人理解是RC低通的转折频率不能太低，如果转折频率处在采样信号的频率范围内，或接近其频率，就容易引起相位滞后过度消耗相位裕度。
AD8618这款芯片比较有意思，在CREE的设计参考中，输出并了一个4700pF的电容，这已经很大了。对设计的电路仿真发现，输出挂100nF的大电容，其阶跃响应依然稳定。。。

暂时就写这些，其实设计过程中还有很多地方模棱两可，基础真的很重要。