ZHCAEC4A June 2019 – August 2024 ADS8860 , LM7705 , OPA320
| 輸入電源 | 輸出電源 |
|---|---|
| 3V 至 5.25V | -0.232V |
設計說明
本電路文檔介紹了如何使用 LM7705 低噪聲負偏置發生器和單個 3V 至 5.25V 電源創建小型負電源 (–0.232V)。–0.232V 電源通常用作單電源放大器的負電源，以便放大器能夠擺動至 0V。請注意，放大器無法完全擺動至電源軌，而在接近負電源軌時會出現失真和削波。例如，基于 OPA320 器件并采用最壞情況下的規格時，它可能從距離負電源 20mV 處發生削波，并且可能在距離負電源 100mV 時變為非線性。如果負電源為地電平，放大器輸出可能會在低于 100mV 時出現失真，并且很可能在低于 20mV 時發生削波。否則，如果 OPA320 運算放大器的負電源設置為較小的負電壓 (–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至 0V 的任何應用。LM7705 使用開關電容器電壓反相器將 3V 至 5V 的正電源軌轉換為負電壓。相關電路文檔使用一個 LDO 為雙電源運算放大器電路供電 展示了一個類似的電路。
規格
| 規格 | 測量：負電源 = GND、正電源 = 5.2V、VIN = 5Vpp（滿量程信號） | 測量：負電源 = –0.232V、正電源 = 5.2V、VIN = 5Vpp（滿量程信號） |
|---|---|---|
| THD (ADS8860 + OPA320) | -93.2dB | –112.5dB（使用 LM7705） |
設計說明
- 本文檔中的所有測量結果均使用第一頁所示的元件值得出。上表展示了使用和不使用 LM7705 器件時，ADS8860 + OPA320 器件的性能。在該示例配置中，將輸入信號特意驅動至非常接近 ADC 的滿量程輸入范圍。
- 該電路使用開關電容反相器通過正輸入電源電壓生成負電源電壓。進行此反相轉換會產生電源紋波和噪聲。噪聲通常很小，對系統性能的影響極小。然而，如果系統具有負電源，則考慮使用 TPS7A39 LDO 來生成 –0.2V 電源。請參閱使用一個 LDO 為雙電源運算放大器電路供電，了解詳細信息。將 LDO 解決方案 (TPS7A39) 和開關電容反相器 (LM7705) 進行比較，可發現通常 LDO 的噪聲最低。在系統沒有負電源的情況下，使用開關電容反相器。
元件選型
- 有關元件選型的詳細信息，請參閱 LM7705 低噪聲負偏置發生器數據表。該電路的一個關鍵問題是來自 LM7705 器件的時鐘饋通噪聲。可通過選擇較大的電容器來盡可能降低此噪聲（請參閱下圖）。選擇大電容器則需要權衡設計的尺寸、成本和復雜性。
典型放大器的輸出與輸入
下圖展示了當輸出接近 0V 時，典型單電源 CMOS 運算放大器的輸出擺幅限制。請注意，該放大器在距離負電源軌約 0.1V 處變為非線性。此外，請注意，輸出在距離負電源軌 0.25V 處飽和（或削波）。使用一個小型負電源 (-0.232V) 即可消除該問題，并且輸出呈現為理想曲線。
負電源軌上的擺幅限制導致削波
下圖顯示了當正弦波形接近接地時，輸出擺幅限制如何使其出現失真或削波。在本示例中，向運算放大器的輸入端施加 5Vpp 信號，且負電源連接到 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。請注意，使用接地負電源的放大器的輸出信號在接近接地時出現失真，而使用 –0.232V 負電源的放大器在接近接地時未出現失真。
使用和不使用 LM7705 時測量的失真與相對于電源軌的擺幅
下圖展示了使用 –0.232V 負電源 (LM7705) 和接地負電源時，測得的 OPA320 運算放大器（驅動 ADS8860 SAR ADC）的 THD。該曲線顯示，使用 0V 負電源時，放大器輸出擺動至距離電源軌小于 50mV 時出現失真，而使用 –0.232V 電源時，放大器輸出未出現失真。
測得的 FFT 顯示 LM7705 開關噪聲
以下 FFT 圖顯示了使用 LM7705 器件生成 –0.232V 電源的情況下，測得的 OPA320 運算放大器（驅動 ADS8860 SAR ADC）的性能。這里的關鍵點是，在 92kHz 處可以觀察到開關電容反相器信號的噪聲。該噪聲相對較低，并且對器件的 SNR 和 THD 影響很小。
設計參考資料
有關 TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路手冊。