如何利用間接電流模式儀表放大器放大具有大直流偏移的交流信號(hào)？

問(wèn)題：
如何支持存在大差分偏移電壓的應(yīng)用而不需要增加增益級(jí)？

答案：
這可以通過(guò)在一級(jí)中利用微功耗軌到軌間接電流模式儀表放大器設(shè)計(jì)一個(gè)交流耦合和增益解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文將概述這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，并提供分步設(shè)計(jì)指南。

簡(jiǎn)介
在電磁流量計(jì)和生物電測(cè)量等應(yīng)用中，小差分信號(hào)與大得多的差分偏移串聯(lián)。這些偏移通常會(huì)限制電路在前端設(shè)計(jì)中可以獲得的增益，進(jìn)而影響整體動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)使用較低電源電壓時(shí)，例如在電池供電的信號(hào)鏈中，增益限制更具挑戰(zhàn)性。解決這個(gè)大差分偏移問(wèn)題的一種方案是使用交流耦合測(cè)量信號(hào)鏈。典型的交流耦合信號(hào)鏈包括一個(gè)低增益儀表放大器，其后是一個(gè)高通濾波器和額外的增益級(jí)（請(qǐng)參閱“放大具有大直流偏移的交流信號(hào)以支持低功耗設(shè)計(jì)”）。在大多數(shù)應(yīng)用中，最好在第一級(jí)獲得盡可能多的增益，因?yàn)檫@有助于改善信號(hào)鏈中其他增益級(jí)的折合到輸入端(RTI)噪聲。本文將介紹間接電流模式儀表放大器架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，從而在一級(jí)中實(shí)現(xiàn)高增益和交流耦合。該設(shè)計(jì)采用微功耗、零漂移儀表放大器AD8237，其具有寬共模和差分輸入范圍。間接電流模式架構(gòu)的其他例子有AD8420。這種間接電流反饋的主要好處包括：

• 低功耗架構(gòu)

• 沒(méi)有像其他典型架構(gòu)（例如由兩個(gè)或三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器）那樣的鉆石圖限制

• 利用外部電阻匹配可以實(shí)現(xiàn)良好的增益漂移性能

• 不依賴電阻匹配便可實(shí)現(xiàn)高CMRR

• 高阻抗基準(zhǔn)引腳

圖1所示電路提供了整體原理圖，其中選擇了間接電流模式儀表放大器AD8237。但是，為了在一級(jí)中實(shí)現(xiàn)高增益和交流耦合，必須在AD8237的反饋環(huán)路中實(shí)現(xiàn)一個(gè)積分器電路。與由兩個(gè)或三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器解決方案（其在應(yīng)用增益后消除偏移）相比，該解決方案可提供更大的增益。對(duì)于所提出的架構(gòu)，偏移校正發(fā)生在增益階段之前，因此儀表放大器可以具有較大增益。這兩種架構(gòu)將在附錄中介紹。ADA4505運(yùn)算放大器在反饋環(huán)路中用作積分器電路。AD8237的輸出由積分器輸入檢測(cè)，并驅(qū)動(dòng)AD8237的基準(zhǔn)引腳，迫使AD8237的輸出為VMID，后者是在ADA4505的正輸入端設(shè)置。即使積分器電路提供低通濾波器功能，在這種情況下，由于其用在反饋環(huán)路中，整體電路也會(huì)具有高通濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)。由于這種行為，它不僅最終會(huì)在應(yīng)用增益之前阻隔任何直流偏移，從而提供比其他解決方案更大的增益，而且它對(duì)低電源電壓和大偏移更有幫助，因?yàn)槭Ｏ碌墓ぷ髟Ａ亢苡邢?。積分器電路還通過(guò)基準(zhǔn)引腳迫使AD8237的輸出為選定的電壓。實(shí)際上，積分器迫使基準(zhǔn)引腳相對(duì)于AD8237的FB引腳的電壓等于輸入的差分電壓，但方向相反。

圖1.采用間接電流模式架構(gòu)的交流耦合信號(hào)調(diào)理電路

設(shè)計(jì)規(guī)格示例
低功耗應(yīng)用通常使用單電源，電源電壓通常在1.8V和3.6V之間。圖1所示電路的設(shè)計(jì)選擇取決于輸入信號(hào)和偏移的幅度范圍及頻率。表1列出了圖1所示電路的示例設(shè)計(jì)規(guī)格。

該電路的設(shè)計(jì)選擇是在AD8237使用低帶寬模式的情況下做出的，以便提高增益靈活性和穩(wěn)定性。

表1.圖1所示電路的關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)格
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設(shè)計(jì)描述
圖1所示電路由微功耗、軌到軌儀表放大器AD8237和零輸入交越失真運(yùn)算放大器ADA4505組成。這兩個(gè)器件均可由最低3.3V電源VDD供電。

此電路可以輸出一個(gè)電壓VOUT，該電壓表示輸入端的交流信號(hào)VSIGNAL在去除直流偏移電壓VOFFSET并經(jīng)放大后的信號(hào)。此電路生成的VMID電壓用于將ADA4505的正輸入和AD8237增益級(jí)輸出共模設(shè)置為中間電源電壓。VMID由分壓器（R1、R2）生成，并由另一個(gè)ADA4505緩沖。AD8237采用超小型封裝(MSOP)，ADA4505采用緊湊型晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝(WLCSP)。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
1.?? ?ADA4505-2 (1/2)的正輸入VMID將設(shè)置VREF（AD8237的基準(zhǔn)引腳）的值，從而設(shè)置輸出VOUT。鑒于共模輸入電壓與輸出范圍的關(guān)系或鉆石圖，為確保兩個(gè)供電軌之間的輸出擺幅最大，大多數(shù)儀表放大器的最優(yōu)值為中間電源電壓(+VDD/2)。設(shè)計(jì)仿真部分將介紹一種對(duì)此有幫助的鉆石圖工具。

2.?? ?考慮電路的總電源電流時(shí)，電阻值R1和R2的選擇也很重要。電阻選擇是噪聲與功耗的權(quán)衡結(jié)果。對(duì)于此電路，最好選擇較大的電阻值以最大程度地減少額外的電源電流。針對(duì)該電阻分壓器，增加的額外電源電流將是：

• 對(duì)于電阻分壓器（R1、R2），可以增加一個(gè)電容C1以對(duì)噪聲進(jìn)行限帶，并減少對(duì)VDD的50 Hz/60 Hz或其他干擾。電容越大，噪聲濾波越好；但是，上電時(shí)VMID需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定下來(lái)。建立到1%以內(nèi)所需的時(shí)間估計(jì)為：

3.?? ?選擇無(wú)源元件值（電阻和電容）時(shí)，應(yīng)考慮容差。對(duì)于電阻分壓器（R1、R2），目標(biāo)VMID值可能會(huì)移動(dòng)，這會(huì)影響AD8237和ADA4505的輸出擺幅范圍VOUT。

從圖1所示電路可知，轉(zhuǎn)換函數(shù)將有兩個(gè)截止頻率，它們是來(lái)自反饋中ADA4505積分器電路的高通濾波器的結(jié)果和AD8237帶寬引起的低通濾波器響應(yīng)。這可能會(huì)引入一些增益誤差，該誤差與積分器(ADA4505)的截止頻率和AD8237帶寬相關(guān)。因此，高通截止頻率和低通截止頻率須有一定的范圍。取決于截止頻率彼此接近的程度，增益誤差百分比可能會(huì)改變。

4.?? ?如果應(yīng)用需要使用高阻抗傳感器，可以在AD8237輸入端之前使用諸如ADA4505之類的緩沖器，以提供更高輸入阻抗和更低輸入偏置電流，因?yàn)榫彌_器會(huì)將高阻抗輸入轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，AD8237的輸入偏置電流最大值為1nA。

設(shè)計(jì)步驟
1.用于設(shè)置VMID的分壓器：
根據(jù)“設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)”的第2點(diǎn)，對(duì)于圖1中的電路，外圍元件的值設(shè)置為R1 = R2 = 1MΩ，以使電源電流的貢獻(xiàn)保持在1μA左右。

ADA4505之前的電阻分壓器的輸出：

假設(shè)R1和R2的容差為5%，并考慮到ADA4505偏移：

為了消除電阻的交流電源干擾和噪聲，設(shè)置C1使得截止頻率至少小于VSIGNAL最低頻率20Hz。請(qǐng)注意，如果需要對(duì)噪聲進(jìn)一步限帶，電容值可以更大。

在這種情況下，C1設(shè)置為22nF，其提供的頻率為：

2.儀表放大器(AD8237)增益值VSIGNAL：
考慮電磁流量傳感器輸出的范圍通常是從±75μV到±6mV的峰峰值信號(hào)幅度。對(duì)于圖1所示電路，幅度峰峰值信號(hào)幅度范圍將設(shè)置為VSIGNAL = 6mV峰值，頻率為30Hz。

然后，考慮AD8237輸出擺幅范圍對(duì)供電軌的限制。這些值可以在數(shù)據(jù)手冊(cè)的“輸出擺幅”部分中找到。保守起見(jiàn)，先使用+25°C時(shí)RL = 10kΩ擺幅情況：

對(duì)于3.3V電源：

由于輸出是全差分式，因此最差情況下輸出相對(duì)于VMID的擺幅將是：

對(duì)于正輸入信號(hào)（ = 1.732V）：

對(duì)于負(fù)輸入信號(hào)（ = 1.568V）：

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現(xiàn)在為了設(shè)置增益，計(jì)算總預(yù)期差分輸入信號(hào)，并使用正負(fù)擺幅范圍的下限來(lái)設(shè)置最大擺幅范圍：

考慮到輸出電壓范圍限制，AD8237增益應(yīng)小于253。為了留一些裕量以應(yīng)對(duì)直流誤差和其他因素，圖1所示電路的增益值應(yīng)小于最大值。增益和建立時(shí)間之間也需要權(quán)衡：增益越高，濾波器的時(shí)間常數(shù)越慢。鑒于以上考量，AD8237增益設(shè)置為101。

請(qǐng)注意設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)第1步對(duì)擺幅值最大化的好處。

從數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，增益的相關(guān)公式為：

AD8237數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了不同增益選擇的建議電阻值。對(duì)于選定的增益101，這些電阻的值應(yīng)為：RF1 = 1kΩ，RG1 =100kΩ。

3.儀表放大器(AD8237)帶寬：
從數(shù)據(jù)手冊(cè)得知，截止頻率值為

如果設(shè)計(jì)規(guī)格需要對(duì)最大信號(hào)頻率進(jìn)行某種最低衰減，則對(duì)于給定濾波器截止頻率，這很容易檢查。

4.設(shè)置高通濾波器截止頻率：
正如“設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)”部分所述，積分器設(shè)置的高通濾波器截止頻率可能過(guò)于接近AD8237帶寬設(shè)置的低通濾波器截止頻率。這會(huì)給之前確定的增益帶來(lái)一些增益錯(cuò)誤。

假設(shè)R3和C3的容差為±5％，最快時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于VSIGNAL最低頻率：

電阻R3將具有1 MΩ的恒定值，以使通過(guò)該電阻進(jìn)入運(yùn)算放大器的電流最小。

選取最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容值，截止頻率大致為20 Hz，設(shè)置C3 = 1.5 μF，故更新后的截止頻率為：

如果設(shè)計(jì)規(guī)格需要對(duì)最小信號(hào)頻率進(jìn)行某種最低衰減，則對(duì)于給定濾波器截止頻率，這很容易檢查。請(qǐng)參見(jiàn)此電路的示例：

5.偏移電壓：

兩個(gè)信號(hào)VOFFSET和VCM都有限制。

正如預(yù)期的那樣，直流偏移可能比在大多數(shù)應(yīng)用中通常發(fā)現(xiàn)的要大。在這種情況下，電壓值必須為VOFFSET ≤ ±VMID。如果直流偏移大于此限值，則VREF電壓值將超出ADA4505的電源電壓范圍。與基準(zhǔn)引腳相關(guān)的公式為：VREF = VMID – VOFFSET。VOFFSET將設(shè)置為1V。

至于共模電壓，它與VOFFSET值直接相關(guān)，因?yàn)閂CM必須在范圍內(nèi)：

如果未驗(yàn)證這些限制，則AD8237的輸入值在電源電壓范圍以上或以下。VCM將設(shè)置為1.65V。

設(shè)計(jì)仿真
為了檢查儀表放大器的共模輸入范圍與輸出電壓的關(guān)系或鉆石圖，需要提供電源電壓+VDD、基準(zhǔn)電壓、增益、共模擺幅和差分輸入擺幅。ADI公司的儀表放大器鉆石圖工具可幫助了解輸入擺幅是否在器件的工作范圍以內(nèi)。請(qǐng)注意，該工具使用的輸出擺幅使用最差情況的負(fù)載條件（最小阻性負(fù)載）。因此，如果按照該工具的限值進(jìn)行設(shè)計(jì)，則對(duì)于較大阻性負(fù)載，系統(tǒng)將會(huì)有更多裕量。查看圖2中的結(jié)果，紫色輪廓是在給定電源電壓、輸出擺幅、輸入共模范圍和器件基準(zhǔn)電壓下AD8237的可用范圍。紅色輪廓顯示了對(duì)于給定的共模和差分輸入模式擺幅，及使用了多少可用范圍。目標(biāo)是讓紅色輪廓保持在紫色輪廓以內(nèi)。如果某些條件違反了此要求，工具將顯示錯(cuò)誤并提供建議。務(wù)必注意，在此工具中，無(wú)法在反饋環(huán)路中實(shí)現(xiàn)積分器電路。但有一個(gè)變通辦法，那就是配置鉆石圖輸入信號(hào)，就好像添加了電路的VOFFSET和VCM電壓（在圖1中）一樣。這樣就可以使用間隔（0.65V至2.65V），因?yàn)橹绷髌票幌椅捶糯蟆Ｋ€表明，共模電壓可以更高，因?yàn)檩敵鰯[幅仍有一些裕量。為了進(jìn)一步了解儀表放大器內(nèi)部發(fā)生的事情，Internal Circuitry（內(nèi)部電路）選項(xiàng)卡會(huì)顯示內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電壓。

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圖2.AD8237鉆石圖工具示例

LTspice?是一款出色的仿真工具，可以檢查之前進(jìn)行的設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)算，包括其他有意義的規(guī)格，例如目標(biāo)信號(hào)帶的噪聲性能。LTspice原理圖如圖3所示。第一個(gè)仿真（圖4和圖5）是瞬態(tài)仿真，直流偏移為1V，輸入信號(hào)為±6mV (30Hz)。圖4顯示了電路中不同級(jí)的信號(hào)。圖5是圖4的放大版本，電路已建立，并且積分器電容充電到最終值。藍(lán)色曲線是AD8237的積分器或基準(zhǔn)電壓引腳的輸出。紅色曲線是VMID值（等于VDD/2），綠色曲線是放大的最終30Hz輸出信號(hào)VOUT。

圖3.LTspice原理圖

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圖4.瞬態(tài)仿真結(jié)果

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圖5.瞬態(tài)仿真結(jié)果放大圖

表2顯示了設(shè)計(jì)目標(biāo)與瞬態(tài)仿真結(jié)果的比較。對(duì)于最大和最小VOUT值，預(yù)期值來(lái)自：VOUT = VMID ± VSIGNAL × 101；就此情況而言，預(yù)期值等于2.256V和1.044V。VREF預(yù)期值等于VMID – VOFFSET，就此情況而言，預(yù)期值為0.65V。VMID等于中間電源電壓，就此情況而言，它等于1.65V。

表2.設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真瞬態(tài)分析
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瞬態(tài)分析中獲得的結(jié)果和預(yù)期結(jié)果在電壓輸出方面非常相似。然而，由于積分器電容和所實(shí)現(xiàn)的直流偏移都很大，仿真建立以及輸出達(dá)到最終值需要17秒。該建立時(shí)間來(lái)源于以下事實(shí)：仿真始于時(shí)間0s，電容需要時(shí)間以充電至最終值。

圖6中的另一個(gè)仿真顯示了圖3中電路的頻率響應(yīng)，直流偏移為1V，輸入信號(hào)為±6mV (30Hz)。圖6中的光標(biāo)1和2分別放置在高通和低通濾波器的-3dB點(diǎn)。表3顯示了設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真結(jié)果的比較。

圖6.交流仿真結(jié)果

表3.設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真交流分析
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圖7中的另一個(gè)仿真顯示了圖3中電路的電壓噪聲密度與頻率RTI的關(guān)系。做法是將輸出噪聲除以解決方案的總增益(101)。對(duì)于帶通濾波器功能，需要選擇積分頻率區(qū)間來(lái)計(jì)算總噪聲。

圖7.在等效噪聲帶寬上積分的總噪聲結(jié)果

對(duì)于頻率上限，將使用之前確定的傳感器最大頻率值，即220Hz。對(duì)于頻率下限，也將使用之前確定的傳感器最小頻率值，即20Hz。在這種情況下，所產(chǎn)生的噪聲將從20Hz積分到220Hz。

由于帶通濾波器的截止頻率影響，實(shí)測(cè)噪聲實(shí)際上會(huì)更高。LTspice仿真結(jié)果假設(shè)其為磚墻濾波器在20Hz和220Hz時(shí)急劇滾降。

LTspice中的命令行設(shè)置為：noise V(VOUT) V1 dec 100 20 220。然后按住Ctrl鍵，鼠標(biāo)左鍵單擊波形名稱(V(ONOISE)/101)。使用下式可輕松將有效值噪聲轉(zhuǎn)換為峰峰值噪聲：

快速檢查AD8237噪聲和ADA4505噪聲可知，AD8237是主要噪聲源。

測(cè)量結(jié)果
為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，可以進(jìn)行硬件測(cè)試，因?yàn)锳D8237和ADA4505都提供了測(cè)試板。每個(gè)元件的焊接可以根據(jù)測(cè)試板的原理圖完成。同時(shí)使用兩個(gè)測(cè)試板時(shí)，可能需要切斷AD8237板上的走線，以將VMID電壓連接到RG電阻。

為了確保更好地理解結(jié)果，元件值來(lái)自設(shè)計(jì)步驟部分，與設(shè)計(jì)仿真相同。為了模擬電磁流量計(jì)或生物電測(cè)量傳感器，可使用不同的測(cè)量設(shè)備，例如電壓校準(zhǔn)器和任意波形發(fā)生器。

對(duì)于此測(cè)試，輸入信號(hào)設(shè)置為具有1V的直流偏移VOFFSET，共模電壓為1.65V，輸入信號(hào)VSIGNAL為±6mV (30Hz)。

查看圖8所示的結(jié)果，輸出電壓VOUT（黃色曲線）的性能相對(duì)于預(yù)期值有一個(gè)很小的電壓差，但仍與預(yù)期保持一致。

圖8.示波器屏幕截圖，黃色曲線對(duì)應(yīng)于VOUT，藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)于VREF。

表4總結(jié)了設(shè)計(jì)目標(biāo)與測(cè)量結(jié)果。

表4.設(shè)計(jì)目標(biāo)與測(cè)量結(jié)果
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設(shè)計(jì)目標(biāo)與仿真結(jié)果的差異可能有多種原因。

• 所使用的電阻具有5%的容差，這意味著VMID值可能有所偏移。

• 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置可能有局限性，導(dǎo)致出現(xiàn)微小偏差，如實(shí)測(cè)仿真結(jié)果VOFFSET和VSIGNAL所示。

設(shè)計(jì)器件
表5.儀表放大器
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表6.運(yùn)算放大器
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結(jié)論
當(dāng)從傳感器（例如現(xiàn)場(chǎng)變送器中的電磁流量計(jì)或生物電應(yīng)用中的電極）采集信號(hào)時(shí)，目標(biāo)信號(hào)通常位于大得多的直流偏移之上。為了更容易地從這些傳感器中提取相關(guān)信息，一種解決方案是實(shí)現(xiàn)交流耦合的測(cè)量信號(hào)鏈，從而在消除直流偏移的同時(shí)放大交流信號(hào)。在反饋環(huán)路中集成一個(gè)積分器電路，儀表放大器AD8237提供增益，交流信號(hào)得以耦合，所有這些都在一級(jí)中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在輸入級(jí)消除直流偏移，該電路使得信號(hào)增益在測(cè)量信號(hào)鏈的輸入端即可應(yīng)用，整體測(cè)量解決方案的折合到輸入端噪聲得以最小化。

參考資料
LTspice
LTspice是一款高性能SPICE III仿真軟件、原理圖采集工具和波形查看器，集成增強(qiáng)功能和模型，簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器和信號(hào)鏈電路的仿真。

儀表放大器鉆石圖工具
鉆石圖工具是一款Web應(yīng)用程序，可生成特定配置的輸出電壓范圍與輸入共模電壓關(guān)系圖，也被稱為鉆石圖，適用ADI儀表放大器。

附錄
圖9和圖10顯示了間接電流模式儀表放大器和三運(yùn)放儀表放大器。與由兩個(gè)或三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器解決方案（其在應(yīng)用增益后消除偏移）相比，間接電流模式儀表放大器可提供更大的增益。對(duì)于所提出的架構(gòu)，偏移校正發(fā)生在增益階段之前，因此儀表放大器可以具有較大增益。下面是對(duì)這兩個(gè)架構(gòu)的說(shuō)明。

圖9.AD8237的間接電流模式儀表放大器架構(gòu)

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圖10.三運(yùn)放儀表放大器

圖9中的間接電流模式儀表放大器基于一級(jí)配置。輸入電壓應(yīng)用于第一個(gè)GM1單元，而GM2單元在反饋環(huán)路中。內(nèi)部積分器放大器A迫使VIN1的副本出現(xiàn)在VIN2上。積分器用于驅(qū)動(dòng)增益之前的基準(zhǔn)引腳。增益由外部電阻RFB和RG設(shè)置，等于：

圖10中的三運(yùn)放架構(gòu)基于兩級(jí)配置。前兩個(gè)運(yùn)算放大器U1和U2、RGAIN電阻、R2電阻與R1電阻形成同相放大器，被視為輸入級(jí)。它提供單位共模增益，而差分增益由電阻RGAIN設(shè)置，等于：

最后一個(gè)運(yùn)算放大器U3與R3電阻形成一個(gè)差分放大器，構(gòu)成儀表放大器的輸出級(jí)。它提供單位差模增益和共模抑制。該架構(gòu)的基準(zhǔn)注入點(diǎn)是在應(yīng)用第一級(jí)增益之后的第二級(jí)。

致謝主要顧問(wèn)：ADI科學(xué)儀器(SCI)部IC設(shè)計(jì)工程師David Plourde、ADI汽車部首席系統(tǒng)應(yīng)用工程師Aine McCarthy、ADI科學(xué)儀器(SCI)部高級(jí)模擬應(yīng)用工程師Tim Green