電路設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題解答

簡(jiǎn)介

電路設(shè)計(jì)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)，即便是最富經(jīng)驗(yàn)的工程師也難免遭遇困惑與阻礙?！峨娐吩O(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題解答》是ADI精心籌備的一份實(shí)用指南，力求為您鋪設(shè)一條清晰的學(xué)習(xí)與實(shí)踐之路。

Q1：設(shè)計(jì)雙極性輸入、全差分輸出 ADC 驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮什么？

大多數(shù) ADC 驅(qū)動(dòng)器電路既需要正電源電壓，也需要負(fù)電源電壓，并且其電源電壓超過(guò) ADC 的輸入范圍。此要求是為了確保輸入和輸出級(jí)具有足夠的裕量擺幅。有時(shí)候，由于預(yù)算或空間約束，無(wú)法同時(shí)擁有正負(fù)供電軌。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們將介紹需要采取哪些步驟來(lái)設(shè)計(jì)雙極性輸入、全差分輸出 ADC 驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)確保達(dá)到所需的噪聲和失真性能。

Q1：RTD 傳感器的 ADC 模擬前端(AFE)

工業(yè)中的一個(gè)常見(jiàn)做法是為特定應(yīng)用需要的各種傳感器使用一個(gè)通用 ADC，然后為每種傳感器開(kāi)發(fā)一個(gè)獨(dú)特的模擬前端(AFE)。本節(jié)將重點(diǎn)介紹 3 線(xiàn) RTD 的 AFE，它適用于多種材料類(lèi)型的 RTD。

AFE 的詳細(xì)原理圖

Q2：雙極性輸入到單極性輸出的信號(hào)調(diào)理

ADC 的輸入通常是單極性信號(hào)，其擺幅為從地到正滿(mǎn)量程。對(duì)于在正負(fù)滿(mǎn)量程之間擺動(dòng)的雙極性信號(hào)，需要一個(gè)電路驅(qū)動(dòng)器將其轉(zhuǎn)換并壓縮到 ADC 輸入的單極性范圍。典型的運(yùn)放式 ADC 驅(qū)動(dòng)器的調(diào)整電路需要基準(zhǔn)電壓、分壓器電阻和運(yùn)放電源電壓。

通過(guò)調(diào)整和電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)雙極性到單極性轉(zhuǎn)換

本節(jié)介紹了針對(duì)給定偏置電壓 Vref 值進(jìn)行調(diào)整和電平轉(zhuǎn)換的一般步驟。文中給出了利用調(diào)整電阻一步一步計(jì)算電阻和電容值的指南，并解決了一個(gè)示例設(shè)計(jì)問(wèn)題。

Q1：如何設(shè)計(jì)跨阻放大器電路以測(cè)量不同尿酸濃度樣本

本節(jié)提供了解決與跨阻放大器(TIA)設(shè)計(jì)相關(guān)的特定設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的分步指南。如圖所示 TIA 電路在近紅外光強(qiáng)度轉(zhuǎn)電流的應(yīng)用中用作模擬前端。這篇通過(guò)舉例來(lái)闡明的電路設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題解答將聚焦于不同尿酸濃度樣本的測(cè)量。

光電二極管 TIA 前端電路設(shè)計(jì)

Q2：為 15Msps 18 位 ADC 設(shè)計(jì)輸入驅(qū)動(dòng)器時(shí)應(yīng)該考慮哪些因素

ADC 驅(qū)動(dòng)器是數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。ADC驅(qū)動(dòng)器用于執(zhí)行許多關(guān)鍵功能，如輸入信號(hào)幅度調(diào)整、單端至差分轉(zhuǎn)換、消除共模偏移，并經(jīng)常用于實(shí)現(xiàn)濾波。本節(jié)電路討論了如何從單端輸入信號(hào)產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的差分輸出信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以確保其滿(mǎn)足 ADC 滿(mǎn)量程的性能需求。

Q1：如何利用間接電流模式儀表放大器放大具有大直流偏移的交流信號(hào)

在電磁流量計(jì)和生物電測(cè)量等應(yīng)用中，小差分信號(hào)與大得多的差分偏移串聯(lián)。這些偏移通常會(huì)限制電路在前端設(shè)計(jì)中可以獲得的增益，進(jìn)而影響整體動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)使用較低電源電壓時(shí)，例如在電池供電的信號(hào)鏈中，挑戰(zhàn)的難度更大。應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)的一種方案是使用交流耦合測(cè)量信號(hào)鏈。典型的交流耦合信號(hào)鏈包括一個(gè)低增益儀表放大器，其后是一個(gè)高通濾波器和額外的增益級(jí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，最好在第一級(jí)獲得盡可能多的增益，因?yàn)檫@有助于改善信號(hào)鏈中其他增益級(jí)的 RTI（折合到輸入端）噪聲。本節(jié)電路設(shè)計(jì)筆記將介紹間接電流模式儀表放大器架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，從而在一級(jí)中實(shí)現(xiàn)高增益和交流耦合。

采用間接電流模式架構(gòu)的交流耦合信號(hào)調(diào)理電路

Q2：如何放大具有大直流偏移的交流信號(hào)

在電磁流量計(jì)或生物電測(cè)量等應(yīng)用中，小差分信號(hào)與大得多的差分偏移串聯(lián)。這些偏移通常會(huì)限制您在前端可以獲取的增益，降低整體動(dòng)態(tài)范圍，尤其是在使用電池供電的較低電源電壓的信號(hào)鏈上。本節(jié)指南將幫助您設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗、交流耦合信號(hào)調(diào)理電路，該電路既能抑制大偏移電壓，又能放大小的差分信號(hào)。此外，本指南將有助于圍繞高通濾波器的增益級(jí)的劃分以及噪聲考慮因素。

電池供電的交流耦合信號(hào)調(diào)理電路

Q3：如何設(shè)計(jì)采用Sallen-Key濾波器的抗混疊架構(gòu)

在任何采樣系統(tǒng)中，例如涉及 ADC 的測(cè)量系統(tǒng)中，有一種稱(chēng)為混疊的現(xiàn)象，它可能導(dǎo)致處于較高頻帶的信號(hào)“向下折疊”到奈奎斯特頻帶，使其與目標(biāo)信號(hào)無(wú)法區(qū)分。奈奎斯特頻率是采樣速率 fs 的一半。由 ADC 采樣的電路帶寬應(yīng)小于采樣速率的一半?；殳B會(huì)導(dǎo)致干擾信號(hào)和噪聲污染輸出，從而影響測(cè)量精度。

有些應(yīng)用依賴(lài)頻域中的數(shù)據(jù)分析，例如狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)防性維護(hù)、電力質(zhì)量監(jiān)控和被動(dòng)聲納，對(duì)于這些應(yīng)用中使用的測(cè)量系統(tǒng)，混疊是一個(gè)特別的問(wèn)題。這些系統(tǒng)通常支持寬帶寬數(shù)據(jù)采集，能夠處理頻域中的振動(dòng)、功率和聲學(xué)等信號(hào)，并根據(jù)信號(hào)音和諧波的特征做出決策。監(jiān)控的性質(zhì)要求使它們對(duì)頻譜干擾特別敏感。低通濾波器是這些測(cè)量系統(tǒng)中的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的重要組成部分，有助于防止帶外信號(hào)和噪聲折疊到目標(biāo)信號(hào)帶寬中。

采樣速率足夠高，可分辨信號(hào)

低采樣速率，混疊回到 DC

Q4：如何為低功耗 Σ-Δ ADC 設(shè)計(jì)分立式低通抗混疊濾波器？

本節(jié)電路設(shè)計(jì)將重點(diǎn)關(guān)注針對(duì)Σ-Δ ADC衰減陷波設(shè)計(jì)抗混疊濾波器時(shí)要考慮的因素，并將提供有效的設(shè)計(jì)示例。將使用LTspice仿真原理圖來(lái)演示結(jié)果。

Q5：如何構(gòu)建用于傳感器激勵(lì)的大電流基準(zhǔn)電壓源

許多應(yīng)用中都會(huì)使用惠斯登電橋傳感器，比如流量計(jì)和壓力測(cè)量傳感器。精密基準(zhǔn)電壓源通常需要大電流緩沖器，以便提供橋式傳感器激勵(lì)電壓。在驅(qū)動(dòng)傳感器及其解耦電容時(shí)，緩沖器必須精確且穩(wěn)定。本節(jié)內(nèi)容旨在幫助大家解決設(shè)計(jì)具有大電流輸出的精密激勵(lì)電壓源時(shí)遇到的特定挑戰(zhàn)。

Q6：全橋應(yīng)變計(jì)傳感器的 Spice模型

Q7：半橋應(yīng)變計(jì)傳感器的 SPICE模型

Q8：如何在 SPICE 中構(gòu)建鉑 RTD 傳感器模型

Q9：四分之一橋接應(yīng)變計(jì)傳感器的 SPICE 模型

Q10：如何在 SPICE 中構(gòu)建 J 型熱電偶傳感器模型