Wie geht man mit analogen Pin-Treibern mit Ausgangsumschaltung um?

Ich versuche herauszufinden, ob es eine Möglichkeit gibt, die Leistung eines analogen Pin-Treibers, der für die Dauer der Selbstkalibrierung regelmäßig von seiner Last isoliert werden muss, kostengünstig zu verbessern. Die derzeitige Schaltung ist wie folgt, aber ich möchte - wenn möglich, dies billig tun - die Auswirkungen des Widerstands von SW1 auf die DC-Leistung entfernen.

Die Schaltung ist ein +/-10-V-Pin-Treiber für einen analogen Ausgang, der mit "typischen" DAQ-Karten verbunden werden muss. Sie bieten normalerweise eine hohe DC-Impedanz. Einige dieser Karten sind dynamisch unangenehm: Sie haben Multiplexer-Eingänge mit ihren schnellen (10 Nanosekunden) Ladungsinjektionen. Es muss eine Genauigkeit von etwa 15 Bit über Zeit und Temperatur (1 Teil von 30.000) beibehalten. Daher kalibriert es sich selbst unter Verwendung eines ADC und einer stabilen Referenz. Die Bandbreite beträgt etwa 1kHz.

Die Lasten werden als hochohmig mit dynamischem Anteil angenommen. Leider wird hin und wieder jemand "freudig" einen Spannungsteiler oder eine andere Schaltung mit ausreichend niedriger Gleichstromimpedanz anbringen, um die Genauigkeit der Ausgangsspannung bei vorhandenem SW1 zu beeinträchtigen. Ich mache meinen Kunden gerne das Leben leichter und habe mich gefragt, ob dieser Mangel kostengünstig behoben werden kann.

Es gibt 10 Kanäle, daher werden auch die Kosten pro Kanal geprüft.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

C2 speichert etwas Ladung, um die Arbeit von U1 bei dynamischen Lasten zu erleichtern. R2 stabilisiert den Operationsverstärker in Gegenwart der kapazitiven Last. U1 ist ein 15-MHz-GBW-Rail-to-Rail-Ausgangsteil, das mit einer Verstärkung von 4 und einem Headroom von 2 V zwischen Ausgang und Versorgung läuft - es wird mit +/-12 V gespeist. Ich habe den Rest der Schaltung nicht gezeigt, die an den invertierenden Eingang angeschlossen ist, es ist nur ein MFB-Filter zweiter Ordnung.

R1 schließt die DC-Rückkopplung um R2 herum und nimmt seine Wirkung auf die DC-Leistung heraus.

Zur In-Circuit-Kalibrierung und Beseitigung von Verstärkungs- und Offsetfehlern wird SW1 geöffnet, SW2 geschlossen und ein A/D-Wandler an den Ausgang angeschlossen.

Dafür muss diese Schaltung erschwinglich sein, SW1 ist ein DG411 oder ähnlich, mit etwa 30 Ohm Einschaltwiderstand. Es wäre sehr schön, wenn dieser Widerstand anstelle von R2 verwendet und innerhalb der Rückkopplungsschleife platziert werden könnte.

Konzeptionell möchte ich etwas wie folgt:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Zur Kalibrierung öffnet sich SW1, damit eine fehlerhafte Last die Kalibrierung nicht verzerrt, SW2 schließt und SW3 dreht um. Der Spannungsfolger U2 ist notwendig, um zu verhindern, dass R_ON von SW3 die Verstärkung der Schaltung beeinflusst. Sein Ausgangswiderstand im geschlossenen Regelkreis muss im schlimmsten Fall unter 1 Ohm liegen.

Ich bin wirklich daran interessiert, ob es möglich ist, die Dinge umzudrehen, um diesen U2-Puffer zu vermeiden - es würde etwa 1,50 $ pro Kanal hinzufügen. U1 würde auch die bösen dynamischen Störungen direkt an seinem Eingang "sehen". Dies verschlechtert die Einschwingzeit durch dynamische Störungen am Ausgang.

Eine Lösung wäre, R1 beizubehalten und diskrete Mosfets mit sehr niedrigem R_ON für SW1 zu verwenden. Dies ist problematisch - die meisten billigen und kleinen Mosfets benötigen eine große Gate-Source-Spannung (5 V), um einen niedrigen Widerstand aufrechtzuerhalten. Realistischerweise würde ich zwei N-Kanal-Geräte Rücken an Rücken verwenden. Der analoge Teil der Schaltung ist von der CPU isoliert, daher kann ich keine billigen Spannungsmultiplikatortricks an einem CPU-Ausgangspin anwenden, um diese Schalter zu steuern. Die Schaltersteuersignale werden durch die GPIO-Ausgänge des Kalibrierungs-ADC geleitet (dies verschüttet wahrscheinlich die Bohnen auf dem Chip, den ich für den ADC verwende).

Ich habe mich gefragt, ob es eine diskrete Lösung gibt, die stabil genug wäre, um zu funktionieren, aber ich kann keine sehen. Da R1 in der Größenordnung von 40 k liegt, kann ich hier keinen einfachen Emitterfolger am Werk sehen - es gibt einfach nicht genug Strom, um den Ausgangswiderstand in R1 auf den erforderlichen 1 Ohm zu halten. Gibt es einen Feldeffekt oder eine diskrete BJT-Magie, die hier anstelle eines ausgewachsenen Operationsverstärkers U2 durchgeführt werden könnte?