找准满足A/D转换器动态范围的“最佳点”
在针对A/D转换器调节信号时，通常要在改变信号增益和增加偏置之间进行折衷，以便信号具有对转换器来说合适的范围和共模电压。在给定输入信号的基础上满足A/D转换器的完整动态范围(即最佳点范围)是本文讨论的主题。本文介绍的方法不仅保留了输入信号的线性，而且仍满足A/D转换器的动态范围。该方法还提供一个直流耦合信号作为输出，与交流耦合设计相比保留了低频响应。
不管信号是需要放大、衰减还是电平转换，单靠无源器件本身实现这些功能几乎没有优势可言。如今，并不昂贵的放大器可以在电平转换过程中提供更高的精度，而增益和电平转换的组合还允许设计满足不同的要求。
下文介绍的方法使用了一个标准放大器电路，这种电路可以转换成两组联立方程，用程序计算器只需数秒就能解出答案。该设计还有另外一个优点，即能将双极输入信号映射到单电源A/D转换器，不需要用变压器或电荷泵来创建负电压轨。
反相放大器(图1)整合了一个电压基准来为-4V到4V的双极输入信号提供偏置。该电路将对这个双极信号进行调节以适应带2.5V基准电压的单电源A/D转换器。
图1所示电路可对信号进行衰减和电平转换，以匹配A/D转换器的2.5V基准电压。通常先要选择反相电阻R2以匹配信号源阻抗，从而获得良好的电压转换。
为了衰减输入信号，许多设计人员都会在反相电阻R2之前尝试使用分压器，但有些结果需要认真考虑。电阻分压器会与输入阻抗R2竞争，因此可能会改变放大器的增益特性。另外，具有低输入阻抗的电阻分压器可能会吸收过多的电流，从而不必要地加重信号源负载。
图1中的放大器基准电路避免了这些缺陷，可以为信号源提供高输入阻抗(通过选择较大的R2)，并允许组合基准和增益电阻，以便在不发生过载的情况下减少输入信号幅度。根据图1中反相放大器的自然特性，-4V输入将对应+2.5V输出，4V输入将对应0V输出。这两个约束可以被表示为类似等式1的两个等式：
根据这两个等式可以同时算出两个变量(R1/R2和Vref)的值。在本例中，其数值为：
有了这两个值，设计就能满足图1所示的输入到输出条件标准，不需要负电源去处理-4V输入。
另外一个优点是不仅-4V到+4V的输入极限匹配0到2.5V的输出极限，而且这些点之间的转换函数也是线性的，如等式(1)所示。基准电压Vref可以通过在要求的精度内选择R3和R4来实现。如果需要的话，该电路也可以用精密基准电压代替。
类似的设计也可以用图2所示的同相增益实现。由于采用了运放的同相输入，因此该设计具有高输入阻抗的优点。由于这里的信号是直接连接到放大器的，因此信号必须在放大器的电压轨范围内。
在这种情况下，使用图2所示的同相增益公式仍可满足基于输入的输出要求：
如果是针对图2所示的例子，那么我们希望将0.3V到1.2V的信号输入范围转换为A/D输入范围(0到2.5V)。这些要求可以表示为以下等式：
等式(5)的数值为：
结果表明，这个同相放大器配置可以将输入信号范围(在放大器电压轨极限范围内)转换成想要的输出范围。Vref可以通过调整R3和R4来选择，以满足等式(6)的要求。
上述满足A/D转换器最佳点的方法不仅平衡了输入动态范围和输出要求之间的关系，而且不会牺牲信号完整性或带宽。
不管信号是需要放大、衰减还是电平转换，单靠无源器件本身实现这些功能几乎没有优势可言。如今，并不昂贵的放大器可以在电平转换过程中提供更高的精度，而增益和电平转换的组合还允许设计满足不同的要求。
下文介绍的方法使用了一个标准放大器电路，这种电路可以转换成两组联立方程，用程序计算器只需数秒就能解出答案。该设计还有另外一个优点，即能将双极输入信号映射到单电源A/D转换器，不需要用变压器或电荷泵来创建负电压轨。
反相放大器(图1)整合了一个电压基准来为-4V到4V的双极输入信号提供偏置。该电路将对这个双极信号进行调节以适应带2.5V基准电压的单电源A/D转换器。
图1所示电路可对信号进行衰减和电平转换，以匹配A/D转换器的2.5V基准电压。通常先要选择反相电阻R2以匹配信号源阻抗，从而获得良好的电压转换。
为了衰减输入信号，许多设计人员都会在反相电阻R2之前尝试使用分压器，但有些结果需要认真考虑。电阻分压器会与输入阻抗R2竞争，因此可能会改变放大器的增益特性。另外，具有低输入阻抗的电阻分压器可能会吸收过多的电流，从而不必要地加重信号源负载。
图1中的放大器基准电路避免了这些缺陷，可以为信号源提供高输入阻抗(通过选择较大的R2)，并允许组合基准和增益电阻，以便在不发生过载的情况下减少输入信号幅度。根据图1中反相放大器的自然特性，-4V输入将对应+2.5V输出，4V输入将对应0V输出。这两个约束可以被表示为类似等式1的两个等式：
根据这两个等式可以同时算出两个变量(R1/R2和Vref)的值。在本例中，其数值为：
有了这两个值，设计就能满足图1所示的输入到输出条件标准，不需要负电源去处理-4V输入。
另外一个优点是不仅-4V到+4V的输入极限匹配0到2.5V的输出极限，而且这些点之间的转换函数也是线性的，如等式(1)所示。基准电压Vref可以通过在要求的精度内选择R3和R4来实现。如果需要的话，该电路也可以用精密基准电压代替。
类似的设计也可以用图2所示的同相增益实现。由于采用了运放的同相输入，因此该设计具有高输入阻抗的优点。由于这里的信号是直接连接到放大器的，因此信号必须在放大器的电压轨范围内。
在这种情况下，使用图2所示的同相增益公式仍可满足基于输入的输出要求：
如果是针对图2所示的例子，那么我们希望将0.3V到1.2V的信号输入范围转换为A/D输入范围(0到2.5V)。这些要求可以表示为以下等式：
等式(5)的数值为：
结果表明，这个同相放大器配置可以将输入信号范围(在放大器电压轨极限范围内)转换成想要的输出范围。Vref可以通过调整R3和R4来选择，以满足等式(6)的要求。
上述满足A/D转换器最佳点的方法不仅平衡了输入动态范围和输出要求之间的关系，而且不会牺牲信号完整性或带宽。