用输入箝位放大器来替代输出箝位运算放大器

时间：2007-05-25

引言

诸如超声及成像这样的系统有时会发生模拟信号达到电压极值的过冲现象。然而，许多下行流电路（如A/D激励器）对模拟输入信号电平进行了限制，以保持其性能。这些器件能够在过激励条件下吸收多余的电流，或者被激励至一个需要较长恢复时间的饱和区。

在这些系统中可以采用各种箝位放大器来限制其输出端的信号偏移，用以保护下行流器件。迄今为止，大多数箝位放大器均基于输出箝位结构，因此被称为输出箝位放大器（OCA）。而另一种被称为输入箝位放大器（ICA）的新型架构则能够实现更高的箝位和更低的失真度。

Analog Devices公司首批推出的两款输入箝位放大器AD8036和AD8037在操作中均采用了ICA结构。但是，由于它们在操作上的差异（除了操作增益为+1的电路以外），把ICA代入采用OCA实现的设计中并不是一种“插入式”（drop-in）替换，尽管各部分的引出线是相同的。然而，因为引出线是相同的，故所需的电路改进一般来说成本不会太高。不过，每种配置的处理都必须视具体情况而定。下文将详细说明进行这种替换需要考虑的问题。

反相操作

首先需要考虑的是运算放大器的操作极性。AD8036和AD8037的输入箝位运算放大器架构不工作于反相模式。因此，不可能直接在反相配置中用ICA来替换OCA。为了在反相应用中利用ICA优越的箝位特性，需要一个单独的反相级。

图1示出了一个采用后置ICA的反相级电路。其中AD8036处于一种非反向配置并可提供反向钳制放大器的所有功能。该电路具有大小为-RF/RI的增益，并被箝位于VH和VL。箝位级的操作将在下一节中做进一步说明。在所有的箝位电路中，VH必须高于VL，但它们均位于各部分的输出电压范围之内。

对于要求增益大于-1的电路而言，设计人员可以选择如何在反相级和箝位级之间进行增益分配。为了获得的，ICA应在较低的增益条件下工作，因为箝位是增益的一个函数（详见下一节）。所需的附加增益可在反相级中提供。

非反相操作

单位增益

对于替换非反相OCA的场合来说，需要考虑的重要的问题就是箝位放大器的操作增益。这是因为ICA的输出箝位电平是放大器闭环增益的一个函数。

个需要考虑的情形是非反相单位增益。对于OCA，箝位电平与施加于VH（⑧脚）和VL（⑤脚）的电压相等。对于ICA，这些电压被乘以闭环增益，以计算箝位电平。但是,由于增益为+1,因此ICA和OCA将具有相同的箝位电平。于是，可直接进行替换。图2示出了单位增益箝位电路的一个例子。

由于我们谈论的是非反相单位增益，因此所选的放大器必须在单位增益条件下呈现出稳定的操作性能。在这两种ICA中，AD8036对单位增益条件下的操作进行了补偿。这样，在非反相单位增益应用中，AD8036就是OCA的一个“插入式”替代。它将提供与采用OCA时完全一样的增益和箝位电平。

大于或等于2的增益

当箝位放大器的非反相增益为2 或更大时，AD8037可用于其较宽的带宽，因为对它进行了2 或更大的噪声增益补偿。但是，加在箝位脚上的电压将不得不改变，以保持相同的箝位电平，因为箝位电平是放大器闭环增益的一个函数。以下公式归纳了用于获得合适箝位电压的计算方法：

VCH = GxVH

VCL = GxVL

其中：

VCH为高输出箝位电平

VCL为低输出箝位电平

G为放大器配置的增益

VH为加在VH（⑧脚）上的电压

VL为加在VL（⑤脚）上的电压

一般而言，为了保持与采用OCA时相同的箝位电平，加在箝位脚上的电压应设定为箝位电平的期望值与放大器闭环增益相除的商。图3示出了采用增益为2的AD8037时箝位级的原理简图。

带补偿的箝位

图4示出了能够提供箝位并具有补偿的AD8037的非反相配置。该电路示出了一个AD9002（一款8比特、125MSPS A/D变换器）用激励器以及使用具有补偿和箝位的AD8037时需要考虑的一些问题。AD9002的模拟输入范围为GND～-2V，为了避免形成多余的电流，输入电压不能超出此范围太多。输入电压对称于GND，幅度为1VP-P。

当AD8037的操作增益为2时，数据表上建议选用一个301　的反馈电阻。对于增益为2的场合，电阻R1和R3的并联阻值必须与反馈电阻R2相等，因此：

R1X3/（R1+R3）= R2 = 301Ω　

用于提供这一补偿的基准是输出电压为2.5V的AD780。为了求出R3的阻值，首先假定非反相输入端的输入电压为0V。这将使得反相输入电压同样必须为0V，从而产生这样一种情况，即没有电流流过R2。此时希望输出电压为-1V，这样就会有1V/301Ω=3.32mA的电流流过R2。由于没有电流流过R1或流入运算放大器的反相输入端，相同的电流肯定会流过R3，于是：

2.5V =（3.32mA）R3 或 R3 = 750Ω

由上面的公式可得出R1的阻值为499Ω。

是对信号进行箝位，这样在两个方向上输出都不会超出A/D的输入信号范围100mV以上。因此，高电平箝位应位于+0.1V，低电平箝位应位于-2.1V。

由于箝位是在输入级进行的，因此，就像在输出端看到的那样，箝位电平不仅如前所述受到电路增益的影响，而且还受到补偿的影响。所以，为了获得期望的箝位电平，VH和VL必须被分别偏置于+550mV和-550mV。由位于电源和地之间的806Ω和100Ω电阻所构成的分压器被用来生成箝位电压。

一般而言，输出端的箝位电平可由下式计算：

VCH=VOFF+GxH

VCL=VOFF+GxL

其中：VOFF是输出端的补偿电压。

考虑箝位电平设定的另一条途径是注意到箝位信号（VH和VL）为传统的非反相输入超出其建立的“窗口”时所选择的交替非反相输入，见图5。理想的做法是将箝位电平设定得比增益为2 的输入信号的偏移高100mV或低100mV。因此，VH应比输入信号偏移（+0.5V或550mV）高50mV。同样，VL应比输入信号偏移（-0.5V或-550mV）低50mV。在每种情况下，50mV都将被乘以2，结果就是100mV。同时，相同的补偿将被加至输入信号和箝位。

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