用于地震學和能源勘探應用的低噪聲、低功耗DAQ解決方案
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精密數據采集(DAQ)系統在工業應用中深受歡迎。一些DAQ應用中需要低功耗和超低噪聲。一個例子是地震傳感器相關應用，從地震數據中可以提取大量信息，這些信息可用于廣泛的應用，例如結構健康監測、地球物理研究、石油勘探甚至工業和家庭安全1。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/202111/429737.htmDAQ信號鏈要求
地震檢波器是將地振動信號轉換成電信號的機電轉換裝置，適用于高分辨率地震勘探。它們沿著陣列被植入地面，用于測量地震波從非連續面（如層面）反射回來的時間，如圖1所示。
圖1 地震源和檢波器陣列
要捕獲地震檢波器的小輸出信號，必須構建高靈敏度DAQ信號鏈以進行數據分析。總均方根噪聲應為1.0 μV rms，有限的平坦低通帶寬范圍為300 Hz至400 Hz左右，同時信號鏈應實現大約-120 dB的THD。由于地震儀器由電池供電，因此功耗應控制在約30 mW。
本文介紹兩種信號鏈解決方案，其達成的目標要求如下：
■ PGIA增益：1、2、4、8、16
■ 集成可編程寬帶濾波器的ADC
■ 增益 = 1時（-3 dB帶寬為300 Hz至約400 Hz）的RTI噪聲為1.0 μV rms
■ THD：-120 dB（增益 = 1時）
■ CMRR > 100 dB（增益 = 1時）
■ 功耗（PGIA加ADC）：33 mW
■ 第二通道用于自測
DAQ信號鏈解決方案
ADI網站上沒有一款精密ADC具備所有這些特性并能實現如此低的噪聲和THD，也沒有一款PGIA能提供如此低的噪聲和功耗。但是，ADI公司提供了出色的精密放大器和精密ADC，可使用這些器件構建信號鏈以達成目標。
為了構建低噪聲、低失真和低功耗PGIA，超低噪聲ADA4084-2或零漂移放大器ADA4522-2是不錯的選擇。
關于非常高精度的ADC，24位Σ-Δ型ADC AD7768-1或32位SAR型ADC LTC2500-32是上上之選。它們提供可配置的ODR，并集成平坦低通FIR濾波器，適合不同的DAQ應用。
地震信號鏈解決方案：ADA4084-2 PGIA和AD7768-1
圖2顯示了整個信號鏈。ADA4084-2、ADG658和0.1%電阻可以構建低噪聲、低THD PGIA，提供最多八個不同的增益選項。AD7768-1是單通道、低功耗、-120 dB THD平臺。它具有低紋波可編程FIR、DC至110.8 kHz數字濾波器，使用LT6657作為基準電壓源。
圖2 ADA4084-2 PGIA和AD7768-1加MCU濾波信號鏈解決方案
AD7768-1以1 kSPS的ODR運行時，均方根噪聲為1.76 μV rms；在低功耗模式下，功耗為10 mW。為了實現最終1.0 μV rms噪聲，它可以更高的ODR運行，例如中速模式下的16 kSPS。當AD7768-1以較高調制器頻率運行時，它具有較低的本底噪聲（如圖3所示）和較高的功耗。可以在MCU軟件中實現平坦低通FIR濾波器算法，以消除較高帶寬噪聲，并將最終ODR降至1 kSPS。最終均方根噪聲將是3.55μV的大約四分之一，即0.9 μV。
圖3 利用MCU后置濾波平衡AD7768-1的ODR以達到目標噪聲性能
作為一個例子，MCU軟件FIR濾波器可以按圖4所示構建，以平衡性能和群延遲。
地震信號鏈解決方案：ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32
ADI公司的LTC2500-32是一款集成可配置數字濾波器的低噪聲、低功耗、高性能32位SAR ADC。32位數字濾波的低噪聲和低INL輸出，使它特別適合地震學和能源勘探應用。
高阻抗源應加以緩沖以使采集期間的建立時間最短，并優化開關電容輸入SAR ADC線性度。為獲得最佳性能，應使用緩沖放大器來驅動LTC2500-32的模擬輸入。必須設計一個分立PGIA電路來驅動LTC2500-32，以實現低噪聲和低THD（PGIA部分引入的）。
PGIA實現
PGIA電路的主要規格包括：
■ 電源：5 V（最小值）
■ AD7768-1有19.7 mW的功耗，因此PGIA電路的功耗應小于13.3 mW，才能滿足33 mW的功耗目標
■ 噪聲：增益 = 1時的噪聲為0.178 μV rms，約為AD7768-1 1.78 μV rms的1/10
有三類PGIA拓撲結構：
■ 集成PGIA
■ 集成儀表放大器的分立PGIA
■ 帶運算放大器的分立PGIA
表1列出了ADI公司的數字PGIA。LTC6915的IQ最低。噪聲密度為50 nV/√Hz，430 Hz帶寬內的積分噪聲為1.036 μV rms，超過0.178 μV rms的目標值。因此，集成PGIA不是一個好的選擇。
表2列出了幾種儀表放大器，包括300μA IQ的AD8422。它在430 Hz帶寬內的積分噪聲為1.645 μV rms，因此也不是一個好的選擇。
圖4 MCU后置FIR濾波器級
圖5 ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信號鏈解決方案
圖6 不同降采樣系數下的LTC2500-32平坦通帶濾波器噪聲
表1 數字PGIA
產品型號 | 增益 （最小值，單位：V/V） | 增益 （最大值，單位：V/V） | IQ/放大器 （最大值，單位：mA） | VS范圍 （最小值，單位：V） | VS范圍 （最大值，單位：V） | 輸入電壓噪聲 （典型值，單位：nV/√Hz） |
LTC6915 | 1 | 4096 | 1.6 | 2.7 | 11 | 50 |
AD8557 | 28 | 1300 | 1.8 | 2.7 | 5.5 | 32 |
AD8556 | 70 | 1280 | 2.7 | 5 | 5.5 | 32 |
AD8250 | 1 | 10 | 4.5 | 10 | 30 | 18 |
AD8251 | 1 | 8 | 4.5 | 10 | 34 | 18 |
表2 儀表放大器
產品型號 | 增益 （最小值，單位：V/V） | 增益 （最大值，單位：V/V） | IQ/放大器 （最大值） | VS范圍 （最小值，單位：V） | VS范圍 （最大值，單位：V） | 輸入電壓噪聲 （典型值，單位：nV/√Hz） |
AD8422 | 1 | 1000 | 300 μA | 4.6 | 36 | 8 |
LT1168 | 1 | 10,000 | 530 μA | 4.6 | 40 | 10 |
AD8220 | 1 | 1000 | 750 μA | 4.5 | 36 | 14 |
AD8224 | 1 | 1000 | 800 μA | 4.5 | 36 | 14 |
AD8221 | 1 | 1000 | 1 mA | 4.6 | 36 | 8 |
表3 低噪聲、低功耗運算放大器
器件 | VOS （最大值，單位：μV） | IBIAS （最大值） | GBP （典型值，單位：MHz） | 0.1 Hz至10 Hz VNOISE （典型值，單位：nV p-p） | VNOISE密度 （典型值，單位：nV/√Hz） | 電流噪聲密度 （典型值，單位：fA/√Hz） | IQ/放大器 （典型值，單位：μA） | VS范圍 （最小值，單位：V） | VS范圍 （最大值，單位：V） |
ADA4522-2 | 5 | 150 pA | 2.7 | 117 | 5.8 | 800 | 830 | 4.5 | 55 |
ADA4084-2 | 100 | 250 nA | 15.9 | 100 | 3.9 | 550 | 625 | 3 | 30 |
圖7 分立PGIA框圖
使用運算放大器構建分立PGIA
“可編程增益儀表放大器：找到最適合您的放大器”一文討論了各種集成PGIA，并為構建滿足特定要求的分立PGIA提供了很好的指導建議2。圖7顯示了分立PGIA電路的框圖。
可以選擇低電容和5 V電源的ADG659/ADG658。
對于運算放大器，IQ（每通道<1 mA）和噪聲（電壓噪聲密度<6 nV/√Hz）是關鍵規格。精密運算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是很好的選擇，其特性列于表3中。
對于增益電阻，選擇1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω電阻以實現1/4/16/64增益。電阻越大，噪聲可能會增加，而電阻越小，需要的功耗越多。如果需要其他增益配置，必須仔細選擇電阻以確保增益精度。
差分輸入ADC起到減法器的作用。ADC的CMRR大于100 dB，可滿足系統要求。
噪聲仿真
可以使用LTspice?來仿真分立PGIA的噪聲性能。積分噪聲帶寬為430 Hz。表4顯示了兩個不同PGIA和AD7768-1的噪聲仿真結果。ADA4084解決方案具有更好的噪聲性能，尤其是在高增益時。
表4 噪聲仿真結果
ADA4084 PGIA和AD7768-1 | ADA4522 PGIA和AD7768-1 | |
增益 = 1時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms) | 1.765 | 1.774 |
增益 = 4時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms) | 0.744 | 0.767 |
增益 = 16時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms) | 0.259 | 0.311 |
增益 = 64時430 Hz帶寬內的RTI積分噪聲(μV rms) | 0.148 | 0.225 |
在環補償電路驅動LTC2500-32
AD7768-1集成了預充電放大器，可減輕驅動要求。對于SAR ADC，例如LTC2500-32，一般建議使用高速放大器作為驅動器。在此DAQ應用中，帶寬要求很低。為了驅動LTC2500-32，建議使用一個由精密放大器(ADA4084-2)構成的在環補償電路。圖8顯示了用于驅動LTC2500-32的在環補償PGIA。該PGIA具有如下特性：
■ R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3關鍵元件，用以提高在環補償電路的穩定性。
■ 使用ADG659，A1/A0 = 00，增益 = 1，上方放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R30 ? S1A ? DA ? R6 ? AMP —IN。
■ 使用ADG659，A1/A0 = 11，增益 = 64，上方放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R8 ? R10 ? R12 ? S4A ? DA ? R6 ? AMP —IN。
PGIA連接到LTC2500-32EVB以驗證性能。試驗不同的無源元件（R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3）值，以在不同增益(1/4/16/64)下實現更好的THD和噪聲性能。最終元件值為：R22/R27 = 100 Ω，C14/C6 = 1 nF，R30/R31 = 1.2 kΩ，C3/C5 = 0.22 μF。PGIA以下的增益為1時的實測3 dB帶寬約為16 kHz。
圖8 PGIA驅動LTC2500-32
試驗臺評估設置
為了測試噪聲、THD和CMRR性能，將分立ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板做成完整解決方案。該解決方案與EVAL-AD7768-1評估板兼容，因而可以與控制板SDP-H1接口。因此，可以使用EVAL-AD7768FMCZ軟件GUI來收集和分析數據。
ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設計為備選的完整解決方案。電路板與SDP-H1控制板接口，并由LTC2500-32FMCZ軟件GUI控制。
兩個板的PGIA增益均被設計為1/2/4/8/16，這與圖8所示不同。表5顯示了這兩個板的評估結果。
圖9 ADA4084-2 PGIA和AD7768-1評估板解決方案
表5 信號鏈解決方案測試結果
ADA4084-2、AD7768-1 （中速模式，FMOD = 4 MHz，ODR = 16 ksps）+ | ADA4084-2、AD7768-1 （中速模式，FMOD = 4 MHz，ODR = 16 kSPS)+ MCU FIR和DEC至ODR = 16 k/16 = 1 kSPS | ADA4084-2、LTC2500-32 ADC MCLK = 1 MHz | |
增益 = 1時的RTI噪聲(μV rms) | 3.718 | 0.868 | 0.82 |
增益 = 2時的RTI噪聲(μV rms) | 1.996 | 0.464 | 0.42 |
增益 = 4時的RTI噪聲(μV rms) | 1.217 | 0.286 | 0.3 |
增益 = 8時的RTI噪聲(μV rms) | 0.909 | 0.208 | 0.24 |
增益 = 16時的RTI噪聲(μV rms) | 0.808 | 0.186 | 0.19 |
增益 = 1時的THD (dB) | —125 | —125 | —122 |
增益 = 2時的THD (dB) | —125 | —125 | —119 |
增益 = 4時的THD (dB) | —124 | —124 | —118 |
增益 = 8時的THD (dB) | —120 | —120 | —117 |
增益 = 16時的THD (dB) | —115 | —115 | —115 |
增益 = 1時的CMRR (dB) | 131 | 131 | 114 |
增益 = 4時的CMRR (dB) | 117 | 117 | 121 |
增益 = 16時的CMRR (dB) | 120 | 120 | 126 |
Pd典型值(mW) | 31.3 | 31.3 | 33.2 |
圖10 增益為1時的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT
結論
針對地震學和能源勘探應用，為了設計一個非常低噪聲和低功耗的DAQ解決方案，可以使用低噪聲、低THD的精密放大器設計分立PGIA，以驅動高分辨率精密ADC。這種解決方案可以根據功耗要求靈活地平衡噪聲、THD和ODR。
■ LTC2500-32的低噪聲性能加上ADA4084-2和LTC2500-32的優點，使得解決方案表現出最佳噪聲性能，無需MCU進一步濾波處理。
■ 在PGIA增益 = 1時，ADA4522-2和ADA4084-2都有良好的噪聲性能。噪聲性能約為0.8 μV rms。
■ ADA4084-2在高增益時具有更好的噪聲性能。在增益 = 16時，ADA4084-2和LTC2500-32的噪聲為0.19 μV rms，比ADA4522-2的0.25 μV rms要好。
■ 對于AD7768-1，借助MCU濾波，ADA4084-2和AD7768-1解決方案表現出與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似的噪聲性能。
本文給出的數據采集解決方案要求低噪聲和低功耗，而帶寬有限。其他DAQ應用會有不同的性能要求。如果低功耗不是必需的，可以使用如下運算放大器來構建PGIA：
■ 最低噪聲：可以考慮LT1124和LT1128以獲得最佳噪聲性能。
■ 最低漂移：新型零漂移放大器ADA4523具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的噪聲特性。
■ 最低偏置電流：如果傳感器的輸出電阻較高，建議使用ADA4625-1。
■ 較高帶寬：當構建高帶寬DAQ應用中的高帶寬、低噪聲PGIA時，ADA4807、LTC6226和LTC6228是很好的解決方案。
在噪聲和功耗不重要，但要求較小PCB面積和高集成度的DAQ應用中，ADI公司的新型集成PGIA ADA4254和LTC6373也是很好的選擇。ADA4254是一款零漂移、高電壓、1/16至~176增益的魯棒PGIA，而LTC6373是一款25 pA IBIAS、36 V、0.25至~16增益、低THD PGIA。
表6 精密運算放大器選型表
產品型號 | VOS （最大值，單位：μV） | IBIAS （最大值） | GBP （典型值，單位：MHz） | 0.1 Hz至10 Hz VNOISE （典型值，單位：nV p-p） | VNOISE密度 典型值 | 電流噪聲密度 典型值 | IQ/放大器 典型值 | VS范圍 （最小值，單位：V） | VS范圍 （最大值，單位：V） |
ADA4522-2 | 5 | 150 pA | 2.7 | 117 | 5.8 nV/√Hz | 800 fA/√Hz | 830 μA | 4.5 | 55 |
ADA4084-2 | 100 | 250 nA | 15.9 | 100 | 3.9 nV/√Hz | 550 fA/√Hz | 625 μA | 3 | 30 |
ADA4625-1 | 80 | 75 pA | 18 | 150 | 3.3 nV/√Hz | 4.5 fA/√Hz | 4 mA | 5 | 36 |
LT1124 | 70 | 20 nA | 12.5 | 70 | 2.7 nV/√Hz | 300 fA/√Hz | 2.3 mA | 8 | 44 |
LT6233 | 500 | 3 μA | 60 | 220 | 1.9 nV/√Hz | 430 fA/√Hz | 1.15 mA | 3 | 12.6 |
ADA4084-1 | 100 | 250 nA | 15.9 | 100 | 3.9 nV/√Hz | 550 fA/√Hz | 565 μA | 3 | 30 |
ADA4807-1 | 125 | 1.6 μA | 200 | 160 | 3.3 nV/√Hz | 700 fA/√Hz | 1 mA | 2.7 | 11 |
ADA4523-1 | 5 | 300 pA | 5 | 88 | 4.2 nV/√Hz | 1 pA/√Hz | 4.5 mA | 4.5 | 36 |
LT1128 | 40 | 90 nA | 20 | 35 | 850 pV/√Hz | 1 pA/√Hz | 7.4 mA | 8 | 44 |
LTC6228 | 95 | 25 μA | 890 | 940 | 880 pV/√Hz | 3 pA/√Hz | 16 mA | 2.8 | 11.75 |
LTC6226 | 95 | 20 μA | 420 | 770 | 1 nV/√Hz | 2.4 pA/√Hz | 5.5 mA | 2.8 | 11.75 |
參考資料
1地震檢波器。ScienceDirect。
2Jesse Santos、Angelo Nikko Catapang和Erbe D. Reyta。“了解地震信號檢測網絡的基礎知識”。模擬對話，第53卷第4期，2019年12月。
3Kristina Fortunado。“可編程增益儀表放大器：找到最適合您的放大器”。模擬對話，第52卷第4期，2018年12月。
作者簡介
David Guo是ADI公司線性產品部門的產品應用工程師。他于2007年加入ADI公司中國應用中心，擔任應用工程師，后于2011年6月轉任精密放大器部門擔任應用工程師。自2013年1月起，David擔任ADI公司線性產品部門的應用工程師。他負責精密放大器、儀表放大器、高速放大器、電流檢測放大器、乘法器、基準電壓源和RMS-DC等產品的技術支持工作。David擁有北京理工大學機電工程學士學位和碩士學位。
Steven Xie于2011年3月加入ADI北京分公司，擔任ADI中國設計中心的產品應用工程師。他負責中國市場SAR型ADC產品的技術支持工作。在此之前，他曾在無線通信基站領域做過四年的硬件設計人員。2007年，Steven畢業于北京航空航天大學，并獲得通信與信息系統碩士學位。
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