精密數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中深受歡迎。一些DAQ應(yīng)用中需要低功耗和超低噪聲。一個(gè)例子是地震傳感器相關(guān)應(yīng)用，從地震數(shù)據(jù)中可以提取大量信息，這些信息可用于廣泛的應(yīng)用，例如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、地球物理研究、石油勘探甚至工業(yè)和家庭安全1。

DAQ信號(hào)鏈要求

地震檢波器是將地振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，適用于高分辨率地震勘探。它們沿著陣列被植入地面，用于測(cè)量地震波從非連續(xù)面（如層面）反射回來的時(shí)間，如圖1所示。

圖1.地震源和檢波器陣列

要捕獲地震檢波器的小輸出信號(hào)，必須構(gòu)建高靈敏度DAQ信號(hào)鏈以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析?？偩礁肼晳?yīng)為1.0 μV rms，有限的平坦低通帶寬范圍為300 Hz至400 Hz左右，同時(shí)信號(hào)鏈應(yīng)實(shí)現(xiàn)大約-120 dB的THD。由于地震儀器由電池供電，因此功耗應(yīng)控制在約30 mW。

本文介紹兩種信號(hào)鏈解決方案，其達(dá)成的目標(biāo)要求如下：

• PGIA增益：1、2、4、8、16
• 集成可編程寬帶濾波器的ADC
• 增益 = 1時(shí)（-3 dB帶寬為300 Hz至約400 Hz）的RTI噪聲為1.0 μV rms
• THD：-120 dB（增益 = 1時(shí)）
• CMRR > 100 dB（增益 = 1時(shí)）
• 功耗（PGIA加ADC）：33 mW
• 第二通道用于自測(cè)

DAQ信號(hào)鏈解決方案

ADI網(wǎng)站上沒有一款精密ADC具備所有這些特性并能實(shí)現(xiàn)如此低的噪聲和THD，也沒有一款PGIA能提供如此低的噪聲和功耗。但是，ADI公司提供了出色的精密放大器和精密ADC，可使用這些器件構(gòu)建信號(hào)鏈以達(dá)成目標(biāo)。

為了構(gòu)建低噪聲、低失真和低功耗PGIA，超低噪聲ADA4084-2或零漂移放大器ADA4522-2是不錯(cuò)的選擇。

關(guān)于非常高精度的ADC，24位Σ-Δ型ADC AD7768-1或32位SAR型ADC LTC2500-32是上上之選。它們提供可配置的ODR，并集成平坦低通FIR濾波器，適合不同的DAQ應(yīng)用。

地震信號(hào)鏈解決方案：ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

圖2顯示了整個(gè)信號(hào)鏈。ADA4084-2、ADG658和0.1%電阻可以構(gòu)建低噪聲、低THD PGIA，提供最多八個(gè)不同的增益選項(xiàng)。AD7768-1是單通道、低功耗、-120 dB THD平臺(tái)。它具有低紋波可編程FIR、DC至110.8 kHz數(shù)字濾波器，使用LT6657作為基準(zhǔn)電壓源。

圖2.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1加MCU濾波信號(hào)鏈解決方案

AD7768-1以1 kSPS的ODR運(yùn)行時(shí)，均方根噪聲為1.76 μV rms；在低功耗模式下，功耗為10 mW。為了實(shí)現(xiàn)最終1.0 μV rms噪聲，它可以更高的ODR運(yùn)行，例如中速模式下的16 kSPS。當(dāng)AD7768-1以較高調(diào)制器頻率運(yùn)行時(shí)，它具有較低的本底噪聲（如圖3所示）和較高的功耗。可以在MCU軟件中實(shí)現(xiàn)平坦低通FIR濾波器算法，以消除較高帶寬噪聲，并將最終ODR降至1 kSPS。最終均方根噪聲將是3.55μV的大約四分之一，即0.9 μV。

圖3.利用MCU后置濾波平衡AD7768-1的ODR以達(dá)到目標(biāo)噪聲性能

作為一個(gè)例子，MCU軟件FIR濾波器可以按圖4所示構(gòu)建，以平衡性能和群延遲。

地震信號(hào)鏈解決方案：ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32

ADI公司的LTC2500-32是一款集成可配置數(shù)字濾波器的低噪聲、低功耗、高性能32位SAR ADC。32位數(shù)字濾波的低噪聲和低INL輸出，使它特別適合地震學(xué)和能源勘探應(yīng)用。

高阻抗源應(yīng)加以緩沖以使采集期間的建立時(shí)間最短，并優(yōu)化開關(guān)電容輸入SAR ADC線性度。為獲得最佳性能，應(yīng)使用緩沖放大器來驅(qū)動(dòng)LTC2500-32的模擬輸入。必須設(shè)計(jì)一個(gè)分立PGIA電路來驅(qū)動(dòng)LTC2500-32，以實(shí)現(xiàn)低噪聲和低THD（PGIA部分引入的）。

PGIA實(shí)現(xiàn)

PGIA電路的主要規(guī)格包括：

• 電源：5 V（最小值）
• AD7768-1有19.7 mW的功耗，因此PGIA電路的功耗應(yīng)小于13.3 mW，才能滿足33 mW的功耗目標(biāo)
• 噪聲：增益 = 1時(shí)的噪聲為0.178 μV rms，約為AD7768-1 1.78 μV rms的1/10

有三類PGIA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

• 集成PGIA
• 集成儀表放大器的分立PGIA
• 帶運(yùn)算放大器的分立PGIA

表1列出了ADI公司的數(shù)字PGIA。LTC6915的IQ最低。噪聲密度為50 nV/√Hz，430 Hz帶寬內(nèi)的積分噪聲為1.036 μV rms，超過0.178 μV rms的目標(biāo)值。因此，集成PGIA不是一個(gè)好的選擇。

表2列出了幾種儀表放大器，包括300μA IQ的AD8422。它在430 Hz帶寬內(nèi)的積分噪聲為1.645 μV rms，因此也不是一個(gè)好的選擇。

圖4.MCU后置FIR濾波器級(jí)

圖5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信號(hào)鏈解決方案

圖6.不同降采樣系數(shù)下的LTC2500-32平坦通帶濾波器噪聲

表1.數(shù)字PGIA

產(chǎn)品型號(hào)	增益 （最小值，單位：V/V）	增益 （最大值，單位：V/V）	IQ/放大器 （最大值，單位：mA）	VS范圍 （最小值，單位：V）	VS范圍 （最大值，單位：V）	輸入電壓噪聲 （典型值，單位：nV/√Hz）
LTC6915	1	4096	1.6	2.7	11	50
AD8557	28	1300	1.8	2.7	5.5	32
AD8556	70	1280	2.7	5	5.5	32
AD8250	1	10	4.5	10	30	18
AD8251	1	8	4.5	10	34	18

表2.儀表放大器

產(chǎn)品型號(hào)	增益 （最小值，單位：V/V）	增益 （最大值，單位：V/V）	IQ/放大器 （最大值）	VS范圍 （最小值，單位：V）	VS范圍 （最大值，單位：V）	輸入電壓噪聲 （典型值，單位：nV/√Hz）
AD8422	1	1000	300 µA	4.6	36	8
LT1168	1	10,000	530 µA	4.6	40	10
AD8220	1	1000	750 µA	4.5	36	14
AD8224	1	1000	800 µA	4.5	36	14
AD8221	1	1000	1 mA	4.6	36	8

表3.低噪聲、低功耗運(yùn)算放大器

器件	VOS （最大值，單位：µV）	IBIAS （最大值）	GBP （典型值，單位：MHz）	0.1 Hz至10 Hz VNOISE （典型值，單位：nV p-p）	VNOISE密度 （典型值，單位：nV/√Hz）	電流噪聲密度 （典型值，單位：fA/√Hz）	IQ/放大器 （典型值，單位：µA）	VS范圍 （最小值，單位：V）	VS范圍 （最大值，單位：V）
ADA4522-2	5	150 pA	2.7	117	5.8	800	830	4.5	55
ADA4084-2	100	250 nA	15.9	100	3.9	550	625	3	30

圖7.分立PGIA框圖

使用運(yùn)算放大器構(gòu)建分立PGIA

“可編程增益儀表放大器：找到最適合您的放大器”一文討論了各種集成PGIA，并為構(gòu)建滿足特定要求的分立PGIA提供了很好的指導(dǎo)建議2。圖7顯示了分立PGIA電路的框圖。

可以選擇低電容和5 V電源的ADG659/ADG658。

對(duì)于運(yùn)算放大器，IQ（每通道<1 mA）和噪聲（電壓噪聲密度<6 nV/√Hz）是關(guān)鍵規(guī)格。精密運(yùn)算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是很好的選擇，其特性列于表3中。

對(duì)于增益電阻，選擇1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω電阻以實(shí)現(xiàn)1/4/16/64增益。電阻越大，噪聲可能會(huì)增加，而電阻越小，需要的功耗越多。如果需要其他增益配置，必須仔細(xì)選擇電阻以確保增益精度。

差分輸入ADC起到減法器的作用。ADC的CMRR大于100 dB，可滿足系統(tǒng)要求。

噪聲仿真

可以使用LTspice®來仿真分立PGIA的噪聲性能。積分噪聲帶寬為430 Hz。表4顯示了兩個(gè)不同PGIA和AD7768-1的噪聲仿真結(jié)果。ADA4084解決方案具有更好的噪聲性能，尤其是在高增益時(shí)。

表4.噪聲仿真結(jié)果

	ADA4084 PGIA和AD7768-1	ADA4522 PGIA和AD7768-1
增益 = 1時(shí)430 Hz帶寬內(nèi)的RTI積分噪聲(µV rms)	1.765	1.774
增益 = 4時(shí)430 Hz帶寬內(nèi)的RTI積分噪聲(µV rms)	0.744	0.767
增益 = 16時(shí)430 Hz帶寬內(nèi)的RTI積分噪聲(µV rms)	0.259	0.311
增益 = 64時(shí)430 Hz帶寬內(nèi)的RTI積分噪聲(µV rms)	0.148	0.225

在環(huán)補(bǔ)償電路驅(qū)動(dòng)LTC2500-32

AD7768-1集成了預(yù)充電放大器，可減輕驅(qū)動(dòng)要求。對(duì)于SAR ADC，例如LTC2500-32，一般建議使用高速放大器作為驅(qū)動(dòng)器。在此DAQ應(yīng)用中，帶寬要求很低。為了驅(qū)動(dòng)LTC2500-32，建議使用一個(gè)由精密放大器(ADA4084-2)構(gòu)成的在環(huán)補(bǔ)償電路。圖8顯示了用于驅(qū)動(dòng)LTC2500-32的在環(huán)補(bǔ)償PGIA。該P(yáng)GIA具有如下特性：

• R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3關(guān)鍵元件，用以提高在環(huán)補(bǔ)償電路的穩(wěn)定性。
• 使用ADG659，A1/A0 = 00，增益 = 1，上方放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R30 ? S1A ? DA ? R6 ? AMP —IN。
• 使用ADG659，A1/A0 = 11，增益 = 64，上方放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R8 ? R10 ? R12 ? S4A ? DA ? R6 ? AMP —IN。

PGIA連接到LTC2500-32EVB以驗(yàn)證性能。試驗(yàn)不同的無源元件（R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3）值，以在不同增益(1/4/16/64)下實(shí)現(xiàn)更好的THD和噪聲性能。最終元件值為：R22/R27 = 100 Ω，C14/C6 = 1 nF，R30/R31 = 1.2 kΩ，C3/C5 = 0.22 µF。PGIA以下的增益為1時(shí)的實(shí)測(cè)3 dB帶寬約為16 kHz。

圖8.PGIA驅(qū)動(dòng)LTC2500-32

試驗(yàn)臺(tái)評(píng)估設(shè)置

為了測(cè)試噪聲、THD和CMRR性能，將分立ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板做成完整解決方案。該解決方案與EVAL-AD7768-1評(píng)估板兼容，因而可以與控制板SDP-H1接口。因此，可以使用EVAL-AD7768FMCZ軟件GUI來收集和分析數(shù)據(jù)。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設(shè)計(jì)為備選的完整解決方案。電路板與SDP-H1控制板接口，并由LTC2500-32FMCZ軟件GUI控制。

兩個(gè)板的PGIA增益均被設(shè)計(jì)為1/2/4/8/16，這與圖8所示不同。表5顯示了這兩個(gè)板的評(píng)估結(jié)果。

圖9.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1評(píng)估板解決方案

表5.信號(hào)鏈解決方案測(cè)試結(jié)果

	ADA4084-2、AD7768-1 （中速模式，F(xiàn)MOD = 4 MHz，ODR = 16 ksps）+	ADA4084-2、AD7768-1 （中速模式，F(xiàn)MOD = 4 MHz，ODR = 16 kSPS)+ MCU FIR和DEC至ODR = 16 k/16 = 1 kSPS	ADA4084-2、LTC2500-32 ADC MCLK = 1 MHz
增益 = 1時(shí)的RTI噪聲(μV rms)	3.718	0.868	0.82
增益 = 2時(shí)的RTI噪聲(μV rms)	1.996	0.464	0.42
增益 = 4時(shí)的RTI噪聲(μV rms)	1.217	0.286	0.3
增益 = 8時(shí)的RTI噪聲(μV rms)	0.909	0.208	0.24
增益 = 16時(shí)的RTI噪聲(μV rms)	0.808	0.186	0.19
增益 = 1時(shí)的THD (dB)	—125	—125	—122
增益 = 2時(shí)的THD (dB)	—125	—125	—119
增益 = 4時(shí)的THD (dB)	—124	—124	—118
增益 = 8時(shí)的THD (dB)	—120	—120	—117
增益 = 16時(shí)的THD (dB)	—115	—115	—115
增益 = 1時(shí)的CMRR (dB)	131	131	114
增益 = 4時(shí)的CMRR (dB)	117	117	121
增益 = 16時(shí)的CMRR (dB)	120	120	126
Pd典型值(mW)	31.3	31.3	33.2

圖10.增益為1時(shí)的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT

結(jié)論

針對(duì)地震學(xué)和能源勘探應(yīng)用，為了設(shè)計(jì)一個(gè)非常低噪聲和低功耗的DAQ解決方案，可以使用低噪聲、低THD的精密放大器設(shè)計(jì)分立PGIA，以驅(qū)動(dòng)高分辨率精密ADC。這種解決方案可以根據(jù)功耗要求靈活地平衡噪聲、THD和ODR。

• LTC2500-32的低噪聲性能加上ADA4084-2和LTC2500-32的優(yōu)點(diǎn)，使得解決方案表現(xiàn)出最佳噪聲性能，無需MCU進(jìn)一步濾波處理。
• 在PGIA增益 = 1時(shí)，ADA4522-2和ADA4084-2都有良好的噪聲性能。噪聲性能約為0.8 µV rms。
• ADA4084-2在高增益時(shí)具有更好的噪聲性能。在增益 = 16時(shí)，ADA4084-2和LTC2500-32的噪聲為0.19 μV rms，比ADA4522-2的0.25 μV rms要好。
• 對(duì)于AD7768-1，借助MCU濾波，ADA4084-2和AD7768-1解決方案表現(xiàn)出與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似的噪聲性能。

本文給出的數(shù)據(jù)采集解決方案要求低噪聲和低功耗，而帶寬有限。其他DAQ應(yīng)用會(huì)有不同的性能要求。如果低功耗不是必需的，可以使用如下運(yùn)算放大器來構(gòu)建PGIA：

• 最低噪聲：可以考慮LT1124和LT1128以獲得最佳噪聲性能。
• 最低漂移：新型零漂移放大器ADA4523具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的噪聲特性。
• 最低偏置電流：如果傳感器的輸出電阻較高，建議使用ADA4625-1。
• 較高帶寬：當(dāng)構(gòu)建高帶寬DAQ應(yīng)用中的高帶寬、低噪聲PGIA時(shí)，ADA4807、LTC6226和LTC6228是很好的解決方案。

在噪聲和功耗不重要，但要求較小PCB面積和高集成度的DAQ應(yīng)用中，ADI公司的新型集成PGIA ADA4254和LTC6373也是很好的選擇。ADA4254是一款零漂移、高電壓、1/16至~176增益的魯棒PGIA，而LTC6373是一款25 pA IBIAS、36 V、0.25至~16增益、低THD PGIA。

表6.精密運(yùn)算放大器選型表

產(chǎn)品型號(hào)	VOS （最大值，單位：µV）	IBIAS （最大值）	GBP （典型值，單位：MHz）	0.1 Hz至10 Hz VNOISE （典型值，單位：nV p-p）	VNOISE密度 典型值	電流噪聲密度 典型值	IQ/放大器 典型值	VS范圍 （最小值，單位：V）	VS范圍 （最大值，單位：V）
ADA4522-2	5	150 pA	2.7	117	5.8 nV/√Hz	800 fA/√Hz	830 µA	4.5	55
ADA4084-2	100	250 nA	15.9	100	3.9 nV/√Hz	550 fA/√Hz	625 µA	3	30
ADA4625-1	80	75 pA	18	150	3.3 nV/√Hz	4.5 fA/√Hz	4 mA	5	36
LT1124	70	20 nA	12.5	70	2.7 nV/√Hz	300 fA/√Hz	2.3 mA	8	44
LT6233	500	3 µA	60	220	1.9 nV/√Hz	430 fA/√Hz	1.15 mA	3	12.6
ADA4084-1	100	250 nA	15.9	100	3.9 nV/√Hz	550 fA/√Hz	565 µA	3	30
ADA4807-1	125	1.6 µA	200	160	3.3 nV/√Hz	700 fA/√Hz	1 mA	2.7	11
ADA4523-1	5	300 pA	5	88	4.2 nV/√Hz	1 pA/√Hz	4.5 mA	4.5	36
LT1128	40	90 nA	20	35	850 pV/√Hz	1 pA/√Hz	7.4 mA	8	44
LTC6228	95	25 µA	890	940	880 pV/√Hz	3 pA/√Hz	16 mA	2.8	11.75
LTC6226	95	20 µA	420	770	1 nV/√Hz	2.4 pA/√Hz	5.5 mA	2.8	11.75

參考資料

1地震檢波器。ScienceDirect。

2Jesse Santos、Angelo Nikko Catapang和Erbe D. Reyta。“了解地震信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)”。模擬對(duì)話，第53卷第4期，2019年12月。

3Kristina Fortunado。“可編程增益儀表放大器：找到最適合您的放大器”。模擬對(duì)話，第52卷第4期，2018年12月。