成功進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換的七個(gè)步驟

振動(dòng)、溫度、壓力和光等現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)需要精確的信號(hào)調(diào)理和信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后才能在數(shù)字域中進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。為了克服當(dāng)前高精度應(yīng)用的多種挑戰(zhàn)，需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)的低噪聲模擬前端來實(shí)現(xiàn)最佳信噪比(SNR)。許多系統(tǒng)既負(fù)擔(dān)不起最昂貴的器件，也無法承受低噪聲器件的更高功耗。本文提出了一種系統(tǒng)的方法來設(shè)計(jì)一個(gè)增益模塊和ADC組合，并給出一個(gè)支持此方法的實(shí)例。在調(diào)理低頻（接近dc）信號(hào)時(shí)，該電路進(jìn)行噪聲計(jì)算和分析。


圖1 典型信號(hào)調(diào)理鏈

設(shè)計(jì)模擬前端時(shí)，請(qǐng)遵循以下七個(gè)步驟：

1) 描述傳感器或增益模塊前部的電氣輸出

2) 計(jì)算ADC的需求

3) 為信號(hào)轉(zhuǎn)換找到最佳ADC + 基準(zhǔn)電壓

4) 為運(yùn)算放大器找到最大增益并定義搜索條件

5) 找到最佳放大器并設(shè)計(jì)增益模塊

6) 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)檢查解決方案總噪聲

7) 運(yùn)行模擬并驗(yàn)證

第1步：描述傳感器或增益模塊前部的電氣輸出

信號(hào)可能直接來源于傳感器，也可能在到達(dá)增益模塊之前經(jīng)過EMI和RFI濾波器。為了設(shè)計(jì)增益模塊，必須知道信號(hào)的ac和dc特性以及可用的電源。知道了信號(hào)的特性和噪聲電平后，我們就能知道選擇ADC時(shí)需要何種輸入電壓范圍和噪聲電平。假設(shè)有一個(gè)傳感器，以250 mV p-p（88.2 mV rms）和25 μV p-p噪聲的滿量程幅度輸出一個(gè)10kHz信號(hào)。我們進(jìn)一步假設(shè)系統(tǒng)中有一個(gè)可用的5V電源。有了這些信息，我們應(yīng)該能計(jì)算出第2步中的ADC輸入端的信噪比。為簡化數(shù)據(jù)處理和避免混淆，假設(shè)我們將該解決方案設(shè)計(jì)為在室溫下工作。

第2步：計(jì)算ADC的需求

我們需要何種ADC、采樣速率如何、多少位、噪聲指標(biāo)如何？若從第一步知道了輸入信號(hào)幅度以及噪聲信息，我們就能計(jì)算出增益模塊輸入端的信噪比（SNR）。我們需要選擇一個(gè)有更佳信噪比的ADC。在選擇ADC時(shí)，知道SNR將有助于我們計(jì)算有效位數(shù)（ENOB）。此關(guān)系表達(dá)式如下。

理想的ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)總會(huì)標(biāo)出SNR和ENOB。此例中所需要的86.8 dB SNR和14.2位ENOB決定了我們應(yīng)選擇一個(gè)16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，奈奎斯特準(zhǔn)則要求采樣率（fs）應(yīng)至少兩倍于最大輸入頻率（fin），因此一個(gè)20-kSPS ADC應(yīng)該就已足夠。下一步我們需要設(shè)計(jì)總體解決方案，使得噪聲密度不超過416 nV/rt-Hz。

第3步：為信號(hào)轉(zhuǎn)換找到最佳ADC+基準(zhǔn)電壓

有了一系列的搜索條件，我們就有許多種方法找到合適的ADC。要找到一個(gè)16位ADC，最簡單的方法之一就是使用廠商網(wǎng)站上的搜索工具。輸入分辨率與采樣速率，就可找到許多推薦的ADC。

許多16位的ADC滿足14.5位ENOB需求。如果您想得到更佳的噪聲性能，可使用過采樣迫使ENOB達(dá)到16位（由4^n過采樣得到n位增強(qiáng)）。通過過采樣，您可以使用較低分辨率的ADC：256過采樣的12位ADC（4^4過采樣）可得到16位噪聲性能。在我們的例子中，這意味著5.126 MHz采樣率的12位ADC（20 kSPS × 256），或是4^2過采樣的14位ADC；若1.28 MSPS則更佳。然而這些選擇的成本卻和AD7685（16位、250 kSPS ADC）相當(dāng)。



圖2 典型的ADC選型表

從列表中我們選擇了AD7685（16位PulSAR ADC）。該轉(zhuǎn)換器具有90-dB SNR和250 ksps采樣率，符合我們的需要。此ADC推薦搭配使用ADR421/ADR431精密XFET基準(zhǔn)電壓源。2.5-V的輸入范圍超過了我們需要的250-mV p-p輸入特性

AD7685參考輸入具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，因此需進(jìn)行去耦以使寄生電感最?。ǚ椒ㄊ窃谝_附近放置一個(gè)陶瓷去耦電容，并用較寬的低阻抗走線進(jìn)行連接）。一個(gè)22 μF陶瓷芯片電容可提供最佳性能。

第4步：為運(yùn)算放大器找到最大增益并定義搜索條件

有了ADC的輸入電壓范圍將有助于我們?cè)O(shè)計(jì)增益模塊。為了最大化動(dòng)態(tài)范圍，我們需要在給定的輸入信號(hào)和ADC輸入范圍內(nèi)選取盡可能高的增益。這意味著我們可以將該例子中的增益模塊設(shè)計(jì)成具有10倍的增益。

雖然AD7685很容易驅(qū)動(dòng)，但驅(qū)動(dòng)放大器需要滿足某些要求。例如，為保持AD7685的SNR和轉(zhuǎn)換噪聲性能，驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生的噪聲必須盡可能低，但要注意增益模塊可同時(shí)放大信號(hào)和噪聲。若要使得噪聲在增益模塊前后都保持不變，我們需要選擇具有更低噪聲值的放大器和相關(guān)元件。此外，驅(qū)動(dòng)器的THD性能應(yīng)與AD7685相當(dāng)，并且必須使ADC電容陣列以16位水平（0.0015%）建立滿量程階躍。來自放大器的噪聲可使用外部濾波器進(jìn)一步過濾。

運(yùn)算放大器的輸入端允許多大的噪聲？牢記我們?cè)O(shè)計(jì)的總體解決方案的噪聲密度不超過416 nV/rt-Hz。我們?cè)O(shè)計(jì)的增益模塊應(yīng)具有更低的本底噪聲，系數(shù)為10，因?yàn)槲覀兊脑鲆鏋?0。這將確保來自放大器的噪聲遠(yuǎn)低于傳感器的本底噪聲。計(jì)算噪聲裕量時(shí)，我們可假設(shè)運(yùn)算放大器輸入端的噪聲大致等于運(yùn)算放大器的總噪聲加上ADC的噪聲。

第5步：找到最佳放大器并設(shè)計(jì)增益模塊

知道了輸入信號(hào)帶寬后，運(yùn)算放大器選型的第一步是選擇一個(gè)具有合理的增益帶寬積(GBWP)的運(yùn)算放大器（GBWP），并且該放大器可以最小的直流和交流誤差處理該信號(hào)。為得到最佳的增益帶寬積，需要知道信號(hào)帶寬、噪聲增益以及增益誤差。下文給出這些術(shù)語的定義。一般而言，若想保持增益誤差小于0.1%，推薦選用增益帶寬比輸入信號(hào)帶寬大100倍的放大器。另外，我們需要一個(gè)可快速建立且驅(qū)動(dòng)能力良好的放大器。注意，我們的噪聲預(yù)算要求運(yùn)算放大器輸入端的總噪聲低于40.8 nV/rt-Hz，而ADC規(guī)定的指標(biāo)為7.9-nV/rt-Hz?？偨Y(jié)運(yùn)算放大器的查找條件如下：UGBW>1MHz、5-V單電源、良好的電壓噪聲、電流噪聲、THD特性、低直流誤差（不降低ADC性能）。



搜索ADC時(shí)采用相似的查找方法，本例我們選出AD8641。AD8641為低功耗、精密JFET輸入放大器，具有極低的輸入偏置電流和軌到軌輸出特性，可在5 V至26 V電源下工作。相關(guān)數(shù)據(jù)在下表中列出。我們可采用表中的元件值對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行同相配置。

所有有源和無源元件都各自產(chǎn)生噪聲，因此選擇不降低性能的元件尤其重要。例如，購買一個(gè)低噪聲運(yùn)算放大器并在其周圍放置大電阻就是一種浪費(fèi)。牢記一個(gè)1 kohm的電阻器可產(chǎn)生4 nV的噪聲。

圖3 完整的解決方案


表1 圖3所示的完整解決方案的元件值


圖5 圖3所示電路的帶寬模擬


如前所述，可考慮在ADC和該增益模塊之間使用一個(gè)RC濾波器，這樣應(yīng)該有助于縮小帶寬并優(yōu)化SNR。

第6步：根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)檢查解決方案總噪聲

充分了解所設(shè)計(jì)電路中的各種誤差源是極其重要的。為了獲得最佳SNR，我們需要寫出前述方案的總噪聲方程。方程如公式1：

我們可算出運(yùn)算放大器輸入端的總噪聲，并確保其低于41.6 nV/rtHz，一如我們所預(yù)期的那樣。方程如公式2：

為了在整個(gè)帶寬上對(duì)總噪聲進(jìn)行積分，我們可看到在濾波器帶寬上的ADC輸入端的總噪聲是3.05μV，低于設(shè)計(jì)所需的4.16μV。由于AD8641的轉(zhuǎn)折頻率低于100 Hz，故此例中的低頻噪聲（1/f）可忽略不計(jì)。程如公式3：

保持良好的信噪比需要關(guān)注信號(hào)路徑中每一處細(xì)節(jié)的噪聲，并有良好的PCB布局。避免在任何ADC下方布設(shè)數(shù)字線路，否則會(huì)將噪聲耦合至芯片管芯，除非在ADC下方鋪一個(gè)接地層用作屏蔽。諸如CNV或時(shí)鐘之類的快速開關(guān)信號(hào)不應(yīng)靠近模擬信號(hào)路徑。應(yīng)避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交疊。

公式1
公式2
公式3

第7步：運(yùn)行模擬并驗(yàn)證

剛開始驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用Pspice宏模型（可從ADI網(wǎng)站下載）比較合適?？焖倌M顯示出我們?yōu)榻鉀Q方案所設(shè)計(jì)的信號(hào)帶寬。圖5顯示了位于AD7685輸入端可選RC濾波器之前和之后的響應(yīng)。

如圖6所示，10-kHz帶寬上的總輸出噪聲接近31μV rms，略低于41μV rms的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在量產(chǎn)之前需要制作原型并驗(yàn)證整套解決方案。



圖6 圖3所示電路的噪聲響應(yīng)模擬
總結(jié)

如今許多設(shè)計(jì)要求低功耗、低成本，而許多系統(tǒng)既負(fù)擔(dān)不起最昂貴的器件，也無法承受低噪聲器件的更高功耗。為了從信號(hào)調(diào)理電路得到最低的本底噪聲和最佳性能，設(shè)計(jì)者必須了解元件級(jí)別的噪聲源。保持良好的信噪比需要關(guān)注信號(hào)路徑每一處細(xì)節(jié)的噪聲。通過遵循以上步驟，便可成功調(diào)理小型模擬信號(hào)，并使用超高分辨率ADC將其轉(zhuǎn)換。