【導(dǎo)讀】多路復(fù)用器(MUX)可將信號(hào)從多個(gè)輸入的其中之一路由至公共輸出，允許共享某個(gè)器件或資源——如混合信號(hào)應(yīng)用中的 ADC 或視頻應(yīng)用中的顯示屏——而非為每個(gè)輸入指定專用器件。很多應(yīng)用會(huì)在信號(hào)進(jìn)入多路復(fù)用器之前，使用放大器對(duì)其 進(jìn)行調(diào)理。這種情況下，帶禁用功能的放大器可用來選擇通道， 因此無需使用多路復(fù)用器，同時(shí)還能降低成本、減少PCB 面積與失真。本文介紹使用具有禁用功能的運(yùn)算放大器進(jìn)行通道選擇時(shí)遇到的挑戰(zhàn)，并提供采用ADI 高速放大器產(chǎn)品組合的示例。
首先，必須比較禁用功能與關(guān)斷功能。放大器禁用時(shí)，功耗下降，輸出進(jìn)入高阻態(tài)，允許將多個(gè)輸出連在一起。該功能與關(guān)斷不同，其目的僅在于節(jié)省功耗。
使用運(yùn)算放大器選擇通道時(shí)，還需要考慮放大器輸入之間允許的最大電壓。該信息通常可在數(shù)據(jù)手冊(cè)的“絕對(duì)最大額定值”部分找到，如圖1 所示。如果該放大器的輸入之間具有背靠背二極管，則差分輸入電壓將限制為——甚至放大器禁用時(shí)也是如此——0.7 V、1.2 V 或更高，具體取決于串聯(lián)背靠背二極管的數(shù)目。
圖1. AD8041 絕對(duì)最大額定值
某些放大器（如AD8041）在輸入之間沒有背靠背二極管，因此可處理高達(dá)±3.4 V 的差分輸入電壓。禁用時(shí)，放大器輸出處于高阻態(tài)。兩個(gè)放大器的增益配置為2，可相連并選擇兩通道之一，同時(shí)采用5 V 單電源工作，如圖2 所示。
圖2. 使用兩個(gè)AD8041 運(yùn)算放大器構(gòu)建的2:1 多路復(fù)用器
但是，這并非對(duì)所有集成禁用引腳的放大器有效。為了演示該特性，表1 顯示集成禁用功能的某些高速放大器，以及差分輸入電壓額定值、帶寬和最小增益要求。
表1. 集成禁用功能的高速放大器
例如，針對(duì)信號(hào)調(diào)理和通道選擇，使用集成獨(dú)立禁用引腳的雙 通道低功耗運(yùn)算放大器ADA4897-2，無需多路復(fù)用器。圖3 顯示兩個(gè)單位增益緩沖器配置為2:1 通道選擇器的簡(jiǎn)單原理 圖。本文將分析三種情況： 1) 兩個(gè)輸入源CH0 和CH1 具有 2.5 V 直流電平和0.5 V p-p 交流信號(hào)；2) 相同信號(hào)，但兩個(gè)輸 入源之間具有1 V 直流失調(diào) 3) 相同直流電平，1 V p-p 交流信 號(hào)。由于每個(gè)放大器的反相和同相輸入之間存在背靠背二極 管，因此差分輸入電壓不應(yīng)超過0.7 V。
圖3. 使用雙通道ADA4897-2 構(gòu)成2:1 多路復(fù)用器
使能放大器時(shí)，反饋功能迫使反相和同相輸入相等，但禁用放 大器后，反饋環(huán)路開路，輸入發(fā)生漂移。如果兩個(gè)輸入之間存在背靠背二極管，則輸入漂移的程度也會(huì)受到限制。對(duì)于 ADA4897-2 而言，輸入漂移程度不能超過二極管壓降(0.7 V)， 否則背靠背二極管就會(huì)開啟。為了幫助演示這一點(diǎn)，圖4 顯示 該電路的簡(jiǎn)化原理圖，圖中禁用了一個(gè)放大器。
圖4. 圖3 禁用一個(gè)放大器的簡(jiǎn)化原理圖
回到我們所說的三種情況。如果CH0 和CH1 上的直流電平相 等，則二極管正向偏置之前，兩個(gè)輸入源之間允許存在的最大 差分交流信號(hào)為0.7 V。在第一種情況中，電路能正常工作， 因?yàn)樽畲蟛罘中盘?hào)僅0.5 V p-p。在第二種情況中，兩個(gè)輸入源 的直流失調(diào)電平大于0.7 V，因此電路不工作。在第三種情況 中，當(dāng)兩個(gè)輸入源之間具有180°相位差時(shí)，最大差分信號(hào)可達(dá) 1 V p-p。這將導(dǎo)致背靠背二極管正向偏置，因此電路在這種情況下也無法工作。針對(duì)后兩種情況，使用AD8041 或其他差分 輸入電壓足夠大的放大器（表1 中的器件）將是更好的選擇。
如果出于成本或性能考慮而必須使用帶有背靠背二極管的放大器，并且如果無法添加額外的多路復(fù)用器，則可將放大器增 益設(shè)為1 以上，或者使用單位增益配置的反饋電阻，這樣可以使問題不那么嚴(yán)重。第二種情況只有在使用電壓反饋放大器時(shí)才會(huì)有問題，因?yàn)檫@種情況下不應(yīng)使用單位增益反饋電阻。如需處理峰值問題，則可以使用一個(gè)電容與反饋電阻并聯(lián)連接， 降低峰值電平，最小化反饋電阻效應(yīng)。
圖5 所示為圖2 的簡(jiǎn)化原理圖，但使用ADA4897-2 代替 AD8041。放大器的增益配置為2。
圖5. 圖2 的簡(jiǎn)化原理圖，使用ADA4897-2
在該電路中，反饋電阻限制流過背靠背二極管的電流。這樣可 以使二極管不會(huì)完全正向偏置，對(duì)電路形成負(fù)載。假設(shè)CH0 和CH1 具有1 V p-p，則電阻兩端的最大差分信號(hào)（假定二極 管壓降為0.7 V）就是1.5 V – 0.7 V = 0.8 V，相當(dāng)于0.8 V/330 Ω = 2.4 mA 電流。相比負(fù)載電流，該最差情況下的電流足夠低， 因此放大器應(yīng)當(dāng)能提供該電流，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的其余部分。如 有必要，可以增加反饋電阻值，以便降低電流。采用2 作為增 益值而非使用單位增益（如假定該配置下的電壓反饋放大器穩(wěn) 定，則可以使用單位增益反饋電阻）將允許交流輸入電壓倍增。 使用反饋和增益電阻時(shí)，在反相輸入端增加直流偏置可以消除 CH0 和CH1 之間的失調(diào)直流電壓電平。在高精度應(yīng)用中，使 用非背靠背二極管的放大器可能效果更佳，因?yàn)槎O管會(huì)使信 號(hào)失真，哪怕它們并未完全導(dǎo)通。
總之，只要所有輸入背靠背二極管保持非飽和狀態(tài)，就可以將 帶禁用功能的放大器用作通道選擇器。單位增益配置相比更高 的增益會(huì)有更多限制，該配置下增益和反饋電阻可用于限制流 過背靠背二極管的電流，消除直流偏置。若需要單位增益，可 在反饋環(huán)路中使用電阻，前提是該配置下的放大器穩(wěn)定。最后， 請(qǐng)記住，背靠背二極管會(huì)產(chǎn)生失真，因此對(duì)于高精度應(yīng)用而言， 使用無背靠背二極管的放大器可能是更好的選擇。
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