減少人為錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)：用于模擬接口的超級(jí)放大器和濾波器

一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)字電路只是自然工作，但模擬電路很難實(shí)現(xiàn)。這種古老的信念是有道理的——模擬接口是一門需要培訓(xùn)的專家學(xué)科。此外，避免問題總是比以后嘗試解決問題更好。這就是為什么我們應(yīng)該利用經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師作為反射執(zhí)行的一些基本概念。本應(yīng)用筆記提供了一些關(guān)于放大器和濾波器的基本提醒和概念，供您在設(shè)計(jì)時(shí)考慮。

介紹

作為孩子，我們學(xué)會(huì)了分享，在這個(gè)過程中，我們了解了部分。許多父母教給孩子這一點(diǎn)，讓一個(gè)孩子切餡餅或蛋糕，然后讓另一個(gè)孩子先挑一塊。我們可以肯定，我們非常小心地使這些碎片的尺寸都相同。

我們想起了生活中的一個(gè)很好的教訓(xùn)，“比例很重要。我們?cè)谌粘Ｉ钪斜容^不同路線之間的距離或兩種食物的味道時(shí)，會(huì)使用比率。（是的，媽媽的廚藝更好，或者我們太小了，不知道有什么區(qū)別？

從兒童、餡餅和蛋糕轉(zhuǎn)向模擬工程設(shè)計(jì)，我們意識(shí)到比率（相對(duì)數(shù)量、比例、百分比、份額、零件和分?jǐn)?shù)）都是模擬設(shè)計(jì)中的重要度量。當(dāng)我們忽略這些比例和關(guān)系時(shí)，我們會(huì)將人為錯(cuò)誤引入到必須是一個(gè)精確的過程中。本應(yīng)用筆記分享了一些關(guān)于放大器和濾波器的模擬概念，這些概念將有助于減少“人為”誤差的幾率并改進(jìn)模擬設(shè)計(jì)。

信噪比 （SNR） 的注意事項(xiàng)

串?dāng)_和信噪比（SNR）表示為比率，即好與壞的比例。如何提高信號(hào)的信噪比？如果特定電路貢獻(xiàn)了相當(dāng)大的噪聲，我們有兩個(gè)基本選擇：第一，以某種方式降低噪聲，第二，在好信號(hào)通過級(jí)之前增加其幅度。圖 1 說(shuō)明了該概念。

圖1.電源噪聲被添加到信號(hào)中。

我們重點(diǎn)討論了電源噪聲、接地和布局。在這篇配套文章中，我們將研究如何控制信號(hào)路徑中的噪聲。我們將在各個(gè)電路階段討論信號(hào)和噪聲的特性。

開關(guān)電源的主要噪聲源是諧波嗎？如果電源噪聲為50kHz或更高，并且我們想要的信號(hào)為1kHz，則濾波可能是可行的。如果我們接下來(lái)要進(jìn)入ADC，抗混疊濾波器可能會(huì)有所幫助。

降低噪音

經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)人員會(huì)評(píng)估哪些可能性？最簡(jiǎn)單的解決方法是在添加噪聲之前放大信號(hào)。是的，足夠簡(jiǎn)單，但不幸的是，這種解決方案通常無(wú)法使用，因?yàn)檩斎胄盘?hào)已經(jīng)存在噪聲。所以現(xiàn)在我們發(fā)揮創(chuàng)造力，考慮如何將信號(hào)與噪聲分開？我們可以使用高通、低通或帶通濾波器嗎？我們能否根據(jù)幅度、限幅、噪聲消隱或取芯進(jìn)行區(qū)分？我們可以在引入噪聲之前使用預(yù)加重，在引入噪聲之后使用去加重來(lái)提高信噪比嗎？我們是否可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行區(qū)分，即以最小的噪聲水平或干擾時(shí)間進(jìn)行采樣？我們是否可以對(duì)時(shí)間平均，或者如果信號(hào)是重復(fù)的，我們是否可以對(duì)周期求和或兩個(gè)、三個(gè)或更多維度的平均值？

從組件功能轉(zhuǎn)向，考慮整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)目標(biāo)是什么？如何使用該系統(tǒng)？人類的感官將如何與系統(tǒng)提供的信息相互作用？簡(jiǎn)而言之，考慮我們可以收集的所有信息。

上述問題反映了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。這正是聰明的公司聘請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師并指導(dǎo)新工程師建立堅(jiān)實(shí)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的原因。

我們可以用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明思考和發(fā)展過程。第一個(gè)觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的輸入端有一個(gè)高增益運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）供電。信號(hào)上偶爾會(huì)出現(xiàn)較大的噪聲脈沖，這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器飽和。運(yùn)算放大器的恢復(fù)時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)毫秒或秒。我們將如何處理這個(gè)問題？由于每個(gè)案例都會(huì)有所不同，我們只會(huì)提出問題并指出可能的解決方案。

首先，收集數(shù)據(jù)以嘗試了解正在發(fā)生的事情。我們可以修復(fù)源頭嗎？不。因此，我們認(rèn)為噪聲峰值是不可避免的。我們對(duì)它的上升時(shí)間幅度和持續(xù)時(shí)間了解多少？如果尖峰非?？烨要M窄，而我們想要的信號(hào)相對(duì)較慢，我們可以通過濾波將它們分開嗎？我們能否檢測(cè)到尖峰并打開串聯(lián)開關(guān)以消除主路徑中的尖峰？我們是否可以添加一對(duì)像靜電放電（ESD）結(jié)構(gòu)這樣的二極管來(lái)削波任何高于V的信號(hào)抄送還是地下？在該應(yīng)用筆記的圖2中，我們創(chuàng)建了一個(gè)介于V之間的電壓抄送并在所需信號(hào)的平均信號(hào)電平處接地。如果將串聯(lián)電阻替換為一對(duì)背靠背二極管（圖 2），則信號(hào)尖峰將限制在電壓 ±硅二極管（紅色虛線）為 0.6V，肖特基二極管為 ~±0.3V（綠色虛線）。硅二極管的反向恢復(fù)時(shí)間可以在一百到幾百納秒之間。肖特基二極管對(duì)于小信號(hào)二極管的開關(guān)時(shí)間為~100ps，但由于其工作物理特性，沒有反向恢復(fù)時(shí)間。二極管也可以放置在運(yùn)算放大器反饋環(huán)路中，以降低尖峰期間的增益。圖 3 顯示了限制的效果。

圖2.用一對(duì)背靠背二極管代替串聯(lián)電阻。

圖3.二極管限幅器效應(yīng)，±0.3V肖特基，±0.6V硅。

圖3可能有助于緩解運(yùn)算放大器飽和和恢復(fù)時(shí)間，但這足夠嗎？我們可以添加電路來(lái)消除噪聲脈沖，如圖4所示。

圖4.噪聲脈沖消隱。

消隱電路的框圖如圖5所示。

圖5.噪聲消隱框圖。

從圖5中消隱的基本概念來(lái)看，可以添加更多的優(yōu)雅。如果源為低阻抗，則可能不需要輸入緩沖器。R1和R2設(shè)置直流值，如上文應(yīng)用筆記4344“軌道分離器，從亞伯拉罕·林肯到虛擬接地”所示?；蛘?，輸入信號(hào)可以是交流耦合到相同的電壓，或者可以長(zhǎng)期平均輸入信號(hào)以產(chǎn)生該電壓。主信號(hào)路徑是從輸入緩沖器通過RC延遲、多路復(fù)用器、緩沖器和低通濾波器到ADC。MAX11203 ADC具有1個(gè)由SPI接口控制的通用輸入或輸出（GPIO）端口。GPIO設(shè)置為MAX313多路復(fù)用器的AIN2導(dǎo)通，AIN0關(guān)斷。我們高通或區(qū)分噪聲脈沖。雙通道或窗口比較器輸出將處于活動(dòng)狀態(tài)，而正向或負(fù)方向的噪聲脈沖超過3.<>V。異或門控將邏輯反相至多路復(fù)用器，從而關(guān)閉主路徑并接通直流電壓。RC延遲還會(huì)延遲主路徑足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以使比較器路徑改變狀態(tài)。如果RC延遲使信號(hào)帶寬降低太多，則可以使用LC延遲線代替。

圖5所示的輸入緩沖器可以使用MAX4209儀表放大器，盡管增益很高，但失調(diào)漂移極低。

圖5所示ADC之前的濾波器可以控制信號(hào)帶寬，以滿足奈奎斯特抗混疊、降低噪聲或軟化殘余消隱毛刺。使用電阻分壓器調(diào)節(jié)差分輸入，并使用穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源來(lái)失調(diào)輸入。該電路設(shè)計(jì)使輸入范圍為0V至5V的ADC（例如MAX1402）能夠接受+10.5V至-10.5V范圍內(nèi)的輸入。

應(yīng)用筆記4494“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中增益誤差的校準(zhǔn)方法”和818“便攜式應(yīng)用中DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓的數(shù)字調(diào)整”中介紹了使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和電位計(jì)的校準(zhǔn)思路。數(shù)字輸出電壓調(diào)整方法由DAC、微調(diào)電位器（數(shù)字電位計(jì)）和微處理器的PWM輸出執(zhí)行。應(yīng)用筆記4704“工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)中的電子校準(zhǔn)和制造公差校正方法簡(jiǎn)介”討論了DS4303無(wú)限采樣保持以捕獲直流電壓。關(guān)于數(shù)字電位器的其他應(yīng)用筆記包括：

4101，“區(qū)分?jǐn)?shù)字電位器特性"

593，“達(dá)拉斯半導(dǎo)體數(shù)字電位器：常見問題"

4025，“DAC與數(shù)字電位計(jì)：哪種應(yīng)用合適？"

Maxim具有看門狗電路，可確保微處理器控制的設(shè)備在處理器失去控制時(shí)以已知方式做出反應(yīng)。

微處理器控制的系統(tǒng)時(shí)鐘通常有兩種類型：以有序方式控制計(jì)算功能的系統(tǒng)時(shí)鐘，以及與人類時(shí)間概念相關(guān)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）或時(shí)鐘。計(jì)算機(jī)時(shí)鐘像士兵有節(jié)奏地行進(jìn)一樣運(yùn)作。這可能導(dǎo)致干擾產(chǎn)品可能不符合法規(guī)要求。

結(jié)論

每個(gè)電路和系統(tǒng)中的噪聲和干擾控制都不同。值得慶幸的是，物理定律占了上風(fēng)，工程師必須努力消除噪音。該討論試圖幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)開始之前和設(shè)計(jì)過程中預(yù)測(cè)噪聲和干擾問題。產(chǎn)品投入生產(chǎn)后，修正的選擇受到嚴(yán)重限制。

審核編輯：郭婷