關(guān)于高效信號(hào)鏈的成本及性能優(yōu)化分析

從工業(yè)過(guò)程控制和測(cè)量到高速通信和成像，高效的信號(hào)采集是各類(lèi)應(yīng)用的基礎(chǔ)，如此寬廣范圍的應(yīng)用類(lèi)別，要匹配適當(dāng)?shù)膽?yīng)用組件，創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)鏈?zhǔn)侵陵P(guān)重要的，以便以盡可能低的成本滿(mǎn)足性能要求，但隨著嵌入式傳感器系統(tǒng)（給物聯(lián)網(wǎng)提供采集信號(hào)）有望大發(fā)展，平衡成本與性能也就變得更加重要了。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)達(dá)上百億，每級(jí)信號(hào)鏈上節(jié)省的資源匯總起來(lái)就可以節(jié)省驚人的資源。

對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，要從總體出發(fā)，建立一個(gè)高效的信號(hào)鏈意味著要平衡每個(gè)獨(dú)立組件規(guī)格，在信號(hào)鏈的每個(gè)階段都要達(dá)到目標(biāo)性能水平。然而有些應(yīng)用要求設(shè)備盡可能高的規(guī)格（如圖 1），但是設(shè)計(jì)者可能經(jīng)常使用更具成本效益的組件，不過(guò)是要在達(dá)到性能和功能要求水平后創(chuàng)建完整的信號(hào)鏈

圖 1 ：高性能模擬組件，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多路復(fù)用器，能夠使CERN（歐洲核子研究組織）的LHC（大型量子對(duì)撞機(jī)）以最可能高的性能來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)區(qū)域

在理想情況下，信號(hào)采集電路的大多數(shù)基本形式是只包含一個(gè)組件：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它將傳感器或其他輸入源輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然而，對(duì)于任何實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)不可能這么簡(jiǎn)單，有進(jìn)一步信號(hào)調(diào)節(jié)的需要，包括信號(hào)放大和濾波（如圖 2）。對(duì)于使用有源傳感器和額外組件（例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC））的應(yīng)用，需要在系統(tǒng)前端設(shè)置精確的參考電壓和放大器，以便為傳感器提供所要求大小的勵(lì)磁電流或者電壓。

圖 2：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之前，典型的模擬信號(hào)鏈需要調(diào)節(jié)來(lái)彌補(bǔ)小信號(hào)輸入、信號(hào)補(bǔ)償和其他的每個(gè)應(yīng)用特有信號(hào)特征

信號(hào)調(diào)節(jié)

通常情況下，傳感器和換能器產(chǎn)生小振幅信號(hào)。如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)放大，這些信號(hào)只能滿(mǎn)足ADC全部動(dòng)態(tài)范圍中一部分使用要求，由于ADC有限的分辨率和轉(zhuǎn)換器量化誤差影響，最有可能導(dǎo)致細(xì)節(jié)丟失。

因此，設(shè)計(jì)師通常需要一個(gè)模擬前端（AFE）放大器來(lái)增加輸入信號(hào)的幅度，以符合ADC全部動(dòng)態(tài)范圍需求。同樣重要的是，輸入放大器可以確保傳感器和換能器保持正確加載，同時(shí)也可以緩沖負(fù)載瞬間變化對(duì)前端的影響，當(dāng)信號(hào)采樣時(shí)，這種負(fù)載瞬變現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在某些類(lèi)型ADCs的輸入端。

工程師可以找到跨越較寬功能和性能范圍的放大器。盡管通常都是盡可能去找到一種可能具備最高性能的放大器，但是工程師可以通過(guò)嚴(yán)格的將放大器的規(guī)格與輸入信號(hào)的特征和要求的輸出分辨率進(jìn)行比較，然后可以大大降低設(shè)計(jì)成本。例如，當(dāng)信號(hào)慢速率變化并且在噪聲上保持很好時(shí)，采用帶有最快轉(zhuǎn)換速率和最低噪聲的儀表放大器（IA）則可能白白增加了成本，同樣的，具有最好線(xiàn)性規(guī)格的放大器可以簡(jiǎn)單的超越ADC，提供足夠精確的結(jié)果，雖然有量化誤差，但從總體上看卻符合信號(hào)鏈的性能要求。

基于信號(hào)特征和應(yīng)用要求，工程師面臨更嚴(yán)格的要求，他們可以選擇各種功能齊全的放大器，例如高精確度的IA、低噪聲的放大器（LNA）和可編程增益放大器（PGA）。不過(guò)傳統(tǒng)放大器提供的性能特征適合大多數(shù)應(yīng)用。例如，軌到軌輸入輸出（RRIO）低噪聲放大器如亞德諾半導(dǎo)體公司的AD850x、美信公司的MAX963x和德州儀器公司的OPA320系列在信號(hào)采集廣泛的應(yīng)用中，能夠?qū)?dòng)態(tài)范圍擴(kuò)到最大，將噪聲降到最小，是降低成本的選擇。

盡管傳統(tǒng)的單端輸入放大器對(duì)很多的應(yīng)用已經(jīng)足夠了，但是很多信號(hào)采集應(yīng)用要求差分輸入，并且良好的共模抑制是其關(guān)鍵。例如，使用電橋傳感器的應(yīng)用或者在非常嘈雜環(huán)境下工作的設(shè)計(jì)，要求對(duì)放大器的差分輸入具有更高的共模抑制特性。實(shí)際上，一些差分放大器例如ADI公司的AD8476和德州儀器公司的THS4531就是為解決差分信號(hào)調(diào)節(jié)要求而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，包括為簡(jiǎn)化ADCs接口而設(shè)計(jì)的功能。談到ADC接口，亞德諾半導(dǎo)體公司的AD8476內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的集成激光微調(diào)電阻可以幫助在信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中減少組件數(shù)量和成本（如圖 3）。

圖 3：差分放大器例如ADI的AD8476帶有集成激光微調(diào)電阻，具有按ADC接口要求調(diào)整輸出能力，幫助簡(jiǎn)化差分輸入要求的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)