开云-全差分放大器为精密数据采集信号链提供高压低噪声信号

2024-11-28

[导读]全差分放年夜器(FDA)具有差分输入和差分输出，其输出共模由直流(DC)输入电压自力节制，首要用在数据收集系统中模数转换的前端，用在将旌旗灯号调度为适合的电平以供下一级(凡是是模数转换器(ADC))利用。FDA一般采取单芯片设计，电源电压较小，是以输出动态规模有限。本文将介绍具有可调共模输出的高压低噪声FDA的设计方式。本文还完全阐发了FDA噪声，和其对高机能数据收集系统旌旗灯号链的整体信噪比(SNR)的影响。全差分放年夜器(FDA)具有差分输入和差分输出，其输出共模由直流(DC)输入电压自力节制，首要用在数据收集系统中模数转换的前端，用在将旌旗灯号调度为适合的电平以供下一级(凡是是模数转换器(ADC))利用。FDA一般采取单芯片设计，电源电压较小，是以输出动态规模有限。本文将介绍具有可调共模输出的高压低噪声FDA的设计方式。本文还完全阐发了FDA噪声，和其对高机能数据收集系统旌旗灯号链的整体信噪比(SNR)的影响。高压FDA合用在需要宽输出动态规模和与高机能FDA近似的交换(AC)机能的利用。例如，测试和评估具有宽输入规模的周详数据收集旌旗灯号链可能需要高压FDA。因为电源电压较小，今朝年夜大都FDA的输出电压规模一般都很有限。FDA合适用在驱动高机能ADC的输入，后者凡是需要单电源。FDA具有超卓交换机能，其SNR和总谐波掉真(THD)十分优良。不外，在掉调、轨间摆幅、偏置电流和漂移机能方面，FDA不这样多更高电压的周详运算放年夜器。但这完全不是问题，由于其知足ADC驱动要求，并且ADI公司供给了一系列用在各类利用的ADC驱动器。 FDA撑持单端或差分输入，具有增益，并供给差分输出，其共模凡是可经由过程输出共模输入引脚(VOCM)进行调剂(见图1)。FDA的优势在在具有更年夜的输出动态规模，最年夜输出是输出轨的两倍，而且其噪声和偶次谐波掉真更低。例如，±5 V FDA的最年夜输出峰峰值接近±10 V或20 V p-p。 ±18 V电路的输出年夜在60 V p-p。ADA4625-1/ADA4625-2是低噪声JFET放年夜器，噪声和掉真机能很是好，而且电源规模宽达±18 V。需知足利用的所有直流和交换机能要求时，利用分立运算放年夜器设计FDA可能会很辣手。图1.FDA 要建立差分放年夜器，比力简单的方式是利用同相和反相放年夜器在输出端发生差模旌旗灯号(图2)，但这类方式的错误谬误是两个放年夜器U1和U2不克不及以很是对称的体例运行，因此机能没有获得优化。图2.单端转差分电路更好的方式是将两个运算放年夜器设置装备摆设成差分体例，近似在根基差分放年夜器，此中U1和U2同享反馈和增益电阻，增益Av = (RG + 2RF)/RG(见图3)。图3.差分放年夜器电路此设置装备摆设经由过程简化的增益收集供给均衡输出，并可经由过程增益设置电阻RG轻松调剂增益巨细。但是，当输入为单端时，差分输出在幅度大将是不合错误称的(见图4)。不合错误称输出会使输出规模严重受限，由于此中一个输出会先在另外一个输出到达供电轨。经由过程调剂电阻增益收集使输出对称，可以解决此问题(图5)。请留意，增益电阻被分成两部门，即RG1和RG2，而且U2从RG1和RG2的中间取得反馈，从而使输出对称。增益由下式给出：Av = (RG1 + RG2 + RF1 + RF2)/RG1。图4.不合错误称输出图5.对称输出添加可调输出共模添加可调共模的方式有两种：一种方式是利用两个ADA4625器件为每一个输入添加一个VOCM放年夜器(图6和图7);另外一种方式是仅利用一个ADA4625-1作为VOCM放年夜器(图8和图9)。这些方式各有益弊，下文将睁开具体会商。经由过程添加放年夜器U3和U4，所施加的任何直流输入电压(V6)城市加到正负输入上。因为每一个输入都增添了不异电压，是以它们在输出端表示为直流共模。但是，除U1和U2差分级会进一步放年夜额外噪声以外，U3和U4还会在电路中发生额外的功耗。不外，它很是简单，而且不会影响整体旌旗灯号增益。对图6中的电路，旌旗灯号增益为Av = (RG1 + RG2 + RF1 + RF2)/RG1;对图7中的电路，旌旗灯号增益为Av = (RG + RF1 + RF2)/RG。图6.采取双放年夜器的单端转差分可调共模电路。右图为输入(红色)和输出(蓝色和绿色)的LTspice 仿真。图7.采取双通道放年夜器的差分转差分可调共模电路。右图为输入(红色)和输出(蓝色和绿色)的LTspice仿真。添加可调VOCM的另外一种方式是添加一个放年夜器，将其输出加到每一个输入上。这类方式的长处包罗：利用的器件(仅一个放年夜器)和电阻更少，和所添加器件发生的噪声进献更低。现实上，U3不会发生任何额外噪声，由于除来自电阻分压器R4至R7的噪声外，其折合到输出的噪声表示为U1和U2输入的共模。电阻R3至R7组成电阻加法器收集，将VOCM加到输入旌旗灯号上。R3至R5将共模加到正输入旌旗灯号上，而R6至R8(单端输入则为R6和R7)将共模加到负输入上。请留意，该电阻收集会衰减输入旌旗灯号。这会下降电路的整体旌旗灯号增益。对图8中的电路，总旌旗灯号增益为Av = [(RG1 + RG2 + RF1 + RF2)/RG1][(R4//R5)/(R4//R5 + R3)];对图9中的电路，总旌旗灯号增益为Av = [(RG + RF1 + RF2)/RG][(R4//R5)/(R4//R5 + R3)]。噪声阐发部门说明了首要噪声源，而且按照所需的总增益和设计人员需重点斟酌的其他身分，会商了第二种添加VOCM的方式是不是比第一种方式更有益。图8.采取单放年夜器的单端转差分可调共模电路。右图为输入(红色)和输出(蓝色和绿色)的LTspice仿真。图9.采取单放年夜器的差分转差分可调共模电路。右图为输入(红色)和输出(蓝色和绿色)的LTspice仿真。噪声阐发在为高机能周详数据收集旌旗灯号链供给鼓励时，噪声是一个要害斟酌身分，终究将决议系统在动态规模和SNR方面的限制。16位ADC的理论SNR为98 dB(6.02 N + 1.76 dB，N = 位数)，这意味着4.096 Vp输出(或8.192 V p-p)的等效噪声约为36 μV rms。这类噪宣称为量化噪声，是由ADC的量化误差引发的。-98 dB SNR是16位系统的抱负极限，任何机能降落都将是由ADC的输入或四周电路的额外噪声引发的。以下是单通道和双通道放年夜器VOCM全差分电路中各元器件的噪声进献阐发。图10为具有双放年夜器VOCM的FDA电路噪声模子。差分级 — U1和U2噪声进献 ADA4625-1/ADA4625-2的电流噪声密度很是低，在1 kHz时为4.5 fA/√Hz，而折合到输入(RTI)的电压噪声在1 kHz时约为3 nV/√Hz，天职析将其视为宽带噪声。U1和U2的电流和电压噪声在差分输出真个总噪声进献(均方根值)可以暗示为：此中，eNv,U1U2是U1和U2的RTI电压噪声引发的输出电压噪声，而eNI,U1U2是输入电流噪声引发的输出电压噪声。对输入端各份量噪声的平方和求平方根(RSS)可以获得RTI电压噪声，然后由增益和反馈收集RF和RG进行放年夜。近似地，电流噪声颠末RSS处置后，由RG转换为电压噪声，再经放年夜传输至输出。输入电流噪声很是小，其进献眇乎小哉，是以电阻和放年夜器的电压噪声是输出真个首要噪声源。图10.双放年夜器VOCM噪声模子由U1和U2的增益和反馈电阻收集(RF1、RF2和RG)引发的输出噪声为：此中，室温下1 kΩ电阻的热噪声为4.06 nV⁄√Hz。在输出端归并U1和U2的电压噪声和其反馈电阻收集噪声，疏忽电流噪声，利用公式1和3可获得：从之前的会商可以得知，跟着增益的提高，放年夜器的电压噪声很轻易成为主导噪声。利用较小的RG值(例如500 Ω)可以年夜年夜下降电阻的噪声。 VOCM电路 — U3和U4噪声接下来阐发图10中VOCM电路的噪声。VOCM电路(U3和U4)的总噪声(包罗电阻噪声，并疏忽每一个放年夜器的输入电流噪声)计较体例以下：此中，R1//R2为R1和R2的并联等效电阻。从之前的会商还可以较着看出，U3和U4的总噪声首要由放年夜器电压噪声和电阻噪声构成，是以最好连结较低电阻值，以有用削减其对整体噪声的进献，使放年夜器噪声成为独一的首要噪声源。VOCM电路输出真个噪声会呈现在差分级的输入端，随后由差分级放年夜并传输至输出端。 VOCM电路 — 单放年夜器U3噪声如前所述，U3输出真个噪声作为U1和U2输入真个共模呈现(显示为inp和inn，见图 11)，是以不会给差分级带来噪声。额外的噪声来自电阻R3至R8。细心查抄可发现，差分级的每一个输入端都有三个并联电阻——正输入端为R3至R5，负输入端为R6至R8(图11c)，这也使得电阻的噪声进献很是小。在双放年夜器和单放年夜器VOCM电路这两种电路中，后者的噪声进献要低很多，但其整体旌旗灯号增益较低。另外，它的功耗更低，所需的放年夜器也更少。公式7暗示图11中VOCM电路输出真个噪声;公式8暗示差分级输出端转变对U1和U2的对应噪声进献。综合斟酌 — ADC旌旗灯号链的总SNR ADC旌旗灯号的总SNR由摹拟前端(AFE)和ADC的总噪声进献决议，此中可能包罗来自其他噪声源的噪声。ADC旌旗灯号链的总SNR由下式得出：图11.单放年夜器VOCM噪声模子此中，VREF被认为是双极性输出ADC的正满量程。整体而言，旌旗灯号链的总SNR可以用图12来总结。图12.数据收集前端旌旗灯号链 ADC的噪声与AFE输入真个噪声相连系，会使ADC的现实总SNR低在理论或抱负值。为将AFE的噪声与ADC的噪声连系起来，需要将ADC的SNR转换为其均方根积分噪声等效值，以下所示：例如，ADAQ7767-1的典型SNR为-106 dB，等效有用值噪声为14.5 μV。 ADAQ7767-1是一款24位数据收集解决方案，带有集成ADC驱动器和抗混叠滤波器，增益为1、0.364、0.143 V/V，250 kSPS时噪声带宽(BW)为110 kHz，其峻峭截止频率首要由其数字砖墙滤波器决议。ADA4625-1/ADA4625-2的典型宽带电压噪声为3.3 nV⁄√Hz，是以图13中差分级(U1和U2)的输出噪声进献(噪声增益为6)为： eN,V_U1U2 = [√2(3.3 nV)2] (500 Ω + 1.5 kΩ + 1 kΩ)/500 Ω = 28 nV⁄√Hz;U1和U2 RTI噪声引发，利用公式1。 eN,RES_U1U2 = √[2.87 nV(6)]2 + (4 nV)2 + (4.97 nV)2 = 18.4 nV⁄√Hz，电阻增益收集引发，利用公式3。 eN,U1U2 = √(28 nV)2 + (18.4 nV)2 = 33.5 nV⁄√Hz，差分级的总输出噪声进献。按照公式 8，此中差分级输入端三个电阻(1 kΩ)的并联等效值为333.3 Ω，噪声为2.3 nV⁄√Hz： eNO,VOCM_U3 = 6√2(2.3 nV)2 = 19.5 nV⁄√Hz，电阻R3至R8引发的输出噪声进献。是以，ADAQ7767-1输入真个总输出噪声计较以下： ADAQ7767-1的输入增益级设置装备摆设设置为0.143 V/V，输入规模为±28 V (56 V p-p)。鉴在-106 dB的典型SNR相当在14.5 μv有用值噪声，将输入电路噪声与器件噪声相连系可得出以下成果：输入电路对系统总噪声的进献很是小，部门缘由在在ADAQ7767-1的输入增益较小。请留意，110 kHz来自砖墙式数字滤波器，是以乘以带宽时无需带上滤波器带宽调剂因子。按照-106 dB的典型SNR，旌旗灯号链的终究SNR将为：利用LTspice对图13中的输入电路进行噪声仿真(图14)，注解110 kHz带宽的总有用值噪声为12.3 μV rms。将其乘以0.143 V/V的增益，获得ADAQ7767-1输入端噪声为1.8 μV有用值噪声，这与计较出的总输入噪声值不异。图13.具有高压输入的ADAQ7767-1周详旌旗灯号链图14.图13所示ADAQ7767-1输入电路中的LTspice噪声表1为利用ADAQ7767-1的其他增益时所得的旌旗灯号链总SNR。表1.ADAQ7767-1分歧增益下的旌旗灯号链总SNR 图13中仅利用了单放年夜器VOCM电路。该电路可用在向前端旌旗灯号链系统供给年夜输入电压，而不会对噪声机能发生显著影响。双通道放年夜器VOCM电路可以在不异的总旌旗灯号增益下供给近似的噪声机能。噪声阐发部门“VOCM电路 — U3和U4噪声”中给出的噪声方程可用在计较双通道放年夜器VOCM电路输出真个总噪声，而且可以利用一样的方式和概念来计较旌旗灯号链的总SNR。在本文介绍的电路中利用ADA4625-1/ADA4625-2建立复合FDA，可实现具有可调共模的低噪声、高电压输出解决方案，进而可以驱动具有宽输入规模的高机能数据收集旌旗灯号链。经由过程恰当设置装备摆设差分级的反馈收集，该方案既能撑持单端输入，也能撑持差分输入。单放年夜器VOCM电路功耗更低，利用的放年夜器更少，故而优在双放年夜器VOCM电路。我们的示例注解，在增益较低时，FDA电路不会对ADAQ7767-1旌旗灯号链的总SNR发生显著影响。对增益1 V/V、0.364 V/V和0.143 V/V，其输入规模别离为±4.096 V、±11.264 V和±28 V;增益最低时输入规模最宽，而且从该解决方案中受益最年夜。