教你设计一个高速、高精度模拟前端

2019年06月12日 作者:Teardown

工业设备中常常需要用到高速、高精度的模拟前端方案,而其中控制系统中的信号电平通常为以下几类之一:单端电流(4 mA 至 20 mA)、单端差分电压(0 V 至 5V、0 V 至10 V、±5 V、±10 V)或者来自热电偶或称重传感器等传感器的小信号输入。大共模电压摆幅也非常典型,尤其是小信号差分输入;因此,良好的共模抑制性能是模拟信号处理系统的一项重要特性。

下图显示模拟前端电路经过优化,可在处理这些类型的工业级信号时提供高精度和高共模抑制比(CMRR)。

该电路会对信号进行电平转换和衰减,从而使信号可以与大多数现代单电源SAR ADC的输入范围要求兼容,如高性能、16 位 250 kSPS PulSAR® ADC AD7685。对于 18 V p-p 的输入信号,该电路的共模抑制(CMR)性能约为 105 dB(100 Hz 时)和 80 dB(5 kHz 时)。

高精度、高输入阻抗和高CMR由仪表放大器AD8226提供。对 于高精度应用,需要具有高输入阻抗,以便最大程度地减小系统增益误差并实现出色的CMR。AD8226增益可以用电阻在1 至 1000 范围内进行编程设置。

若直接在输入端连接阻性电平转换器/衰减器级,会因电阻之间出现失配,导致CMR性能下降。AD8226可以提供小信号和 大信号输入所需的出色CMR性能。无需任何外部元件,电平转换器/衰减器/驱动器AD8275即可在该电路中执行衰减和电平转换功能。

由于信号带宽相对较低,Σ-Δ型ADC通常用于高分辨率测量系统,而且Σ-Δ架构可以在低更新速率条件下提供出色的噪声性能。不过,在越来越多的设计中,尤其是多通道系统,更新速率不断提高,以便更快地更新各通道或增加通道密度。这种情况下,高性能SAR ADC是不错的替代之选。上图所示电路采用 250 kSPS 16 位ADC AD7685、高性能仪表放大器AD8226和衰减器/电平转换器/放大器AD8275并配置为完整的系统解决方案,无需任何外部元件。

AD8226以传统的三运放拓扑结构为基础。这种拓扑由两级组成:一级提供差分放大的前置放大器,其后是一个消除共模电压的差动放大器。上图显示了AD8226的简化原理图。

第一级以如下方式工作:为在偏置电阻RB上保持恒定电压,A1必须使节点3保持比正输入电压高一个稳定的二极管压降。类似地,A2必须保持节点4在负输入电压之上的恒定二极管压降。因此,差分输入电压被复制到增益设置电阻RG上。流过这个电阻的电流也必然流过电阻R1和R2,这就在A2和A1输出端之间产生了经增益调节的差分信号。注意,作为经增益调节的差分信号的附加产物,上移一个二极管压降电压的原始共模信号仍然存在。

第二级是差动放大器,由A3和4个50 kΩ电阻组成。这一级的作用是消除放大后的差分信号上的共模信号。

此电路内置一个轨到轨输出仪表放大器AD8226,并连接到G= 0.2 差动放大器AD8275的正输入端,该差动放大器的输出端则连接到 16 位、250 kSPS、采用 MSOP/QFN封装的PulSAR ADC AD7685的输入端。AD8226 的增益设置为 1(高电压/ 电流输入),且其输出以地为参考。可以使用单端或差分输入。AD8226的输出为双极性信号,用于驱动AD8275输入。AD8275用于对该双极性输入进行衰减和电平转换,从而提供
0.2 的增益。因此,在其输入端输入 20 V p-p的差分信号时, 输出端将产生 4 V p-p的单端信号。4.5 V精密基准电压源ADR439 用于为AD8275提供内部共模偏置电压(VREF/2 = 2.25V),以及为AD7685 ADC提供外部基准电压。在这些条件下,AD8275的输出摆幅为+0.25 V至+4.25 V,位于AD7685的0 V至+4.5 V工作范围内。

ADP1720用于为AD8275和AD7685提供 5 V电源。之所以选择ADP1720是因为其具有高输入电压范围(高达 28 V)。在此电路中,ADP1720只需为AD8275和AD7685提供约 4 mA的电流,因此在最差情况下,28 V输入时调节器的功耗约为 90 mW,这使得整个系统可以采用外部±15 V电源供电。

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