用運算放大器構成精確的限幅器

匹配模擬信號的電壓范圍與模數轉換器 (ADC) 的輸入范圍可能是個挑戰。超過 ADC 的輸入范圍將導致不正確的讀數，而且如果輸入超出電源軌范圍太多，襯底電流就有可能流入 ADC，這有可能導致閉鎖甚至損壞器件。可是，將輸入電壓范圍限制到較低和較保守的水平，又浪費了 ADC 的動態范圍和分辨率。

圖 1 所示的簡單運算放大器限幅器防止了上述問題。最大可允許輸入電壓加到 U1 的非反相輸入上，輸出通過小信號二極管 D1 反饋到反相輸入。ADC 的基準電壓如果可用，可以用作限幅基準。當輸入電壓低于基準時，U1 的輸出被驅動至正軌，D1 被反向偏置，輸入信號無改變通過。當輸入高于箝位電壓時，運算放大器輸出反向，通過 D1 關閉環路，從而有效地成為一個單位增益跟隨器，跟隨箝位電壓。輸入電阻器 R1 限制運算放大器輸出必須吸取的電流。第二個運算放大器 U2 執行互補的負向限幅功能，防止信號低于地電平。因此在這個例子中，輸出信號限制在 4.096V 至 0V 之間。

圖 1

這個電路盡管概念很簡單，但對運算放大器卻有獨特要求。首先，大多數新式運算放大器在輸入端都跨接了背對背二極管，以防止大的差分電壓加到輸入上，因為這可能導致器件損壞，或引起輸入失調電壓漂移。在這個電路中，這類二極管會使輸出信號低于正箝位電壓的幅度不超過 1 個二極管的壓降，或者使輸出信號高于負箝位電壓的幅度不超過 1 個二極管的壓降。要確定特定運算放大器是否有這類二極管，可能需要進行某些檢測。有些器件的數據表中顯示存在輸入二極管，有些則不顯示。這類二極管存在的另一指示是，輸入電流的絕對最大額定值限制在幾 mA。

此外，運算放大器輸出必須盡快從“未箝位”轉換到“箝位”狀態，以箝位快速上升的信號，防止產生危險的過沖。另外還希望運算放大器以軌至軌輸入和輸出方式運行，以便放大器可以用接近電源限制的電壓工作。

LT6015 系列運算放大器包括 LT6016 雙通道和 LT6017 四通道版本，解決了上述問題。該系列運算放大器輸入沒有二極管，因此允許接受 +/-80V 的差分電壓，這不會對任何實際 ADC 應用造成限制。此外，輸入電壓可以比 V- 軌高 80V 或低 25V，因此該器件能夠承受可能對其他器件造成損壞的輸入。

LT6015 更加獨特，該器件允許 V+ 至 V- 電源范圍高達 60V，與大多數運算放大器相比，這使該器件能夠用來箝位更高的電壓。LT6015 的轉換率為 0.75V/µs，這就使該器件能夠箝位上升速度相對較快的信號。低于 100 µV 的典型失調電壓可確保箝位電平非常準確。

圖 2 顯示，由 +/-10V 電源驅動的 LT6105 將一個 7V 峰至峰值 1kHz 正弦波箝位在 0V 至 4V。在圖中很難看到箝位動作，不過如果將輸出放大，在圖 3 中可以看到一個小的過沖。在圖 4 中，將輸入頻率提高到 30kHz 后可以顯示出，箝位動作所用時間不到 10µs，從而將該電路的工作帶寬限制到幾 kHz。通過限制電源電壓軌，使其接近箝位限制電壓，還可以提高箝位速度，這減小了輸出要進入箝位模式而必須轉換的電壓范圍。既然 LT6105 的輸出在非常靠近電源軌的范圍內擺動，那么幾乎不需要額外擴大電壓范圍。

圖 2

圖 3

圖 4

這個電路的另一個限制是，輸出阻抗由 R1 決定，該阻抗必須至少是幾百歐姆，以限制運算放大器的輸出電流。有些 ADC 必須由低阻抗驅動，因此也許需要緩沖放大器 U3。采用四通道 LT6017 就可以用單個器件完成所有這些功能。