KWIK電路常見問題解答—放大具有大直流偏移的交流信號(hào)以用于低功耗設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

此KWIK（Know-how With Integrated Knowledge——技術(shù)訣竅與綜合知識(shí)）電路應(yīng)用筆記提供了應(yīng)對(duì)特定設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的分步指南。本文將討論與特定應(yīng)用相關(guān)的要求，如何利用通用公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及如何輕松地將其擴(kuò)展到其他相關(guān)的應(yīng)用規(guī)格。

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。

設(shè)計(jì)規(guī)格示例

圖1所示電路的設(shè)計(jì)選擇在很大程度上取決于輸入信號(hào)和偏移的幅度范圍及頻率，還有電源電壓以避免飽和。功耗和尺寸對(duì)電池供電應(yīng)用也很關(guān)鍵。示例設(shè)計(jì)規(guī)格如表1所示。

圖1 電池供電的交流耦合信號(hào)調(diào)理電路

表1 圖1所示電路的主要設(shè)計(jì)規(guī)格

設(shè)計(jì)描述

圖1所示電路是一個(gè)交流耦合信號(hào)調(diào)理電路，可以采用最低3.3V單電源供電。圖1中的電路從儀表放大器AD8235開始，它提供高輸入阻抗、CMRR、最小5倍增益和差分至單端轉(zhuǎn)換。接下來是一個(gè)高通濾波器（Cfilt、Rfilt），用于抑制放大的V_offset，然后是ADA4505，用于提供額外的增益和濾波（R4、R3、Cfilt2）。生成的Vbias用于將AD8235和ADA4505增益級(jí)輸出共模均設(shè)置為中間電源電壓(+Vs/2)，因?yàn)閂_signal和V_offset都是差分信號(hào)。Vbias由分壓器（R1、R2）生成，并由另一個(gè)ADA4505緩沖。AD8235和ADA4505-2均采用緊湊型WLCSP（晶圓級(jí)芯片規(guī)模封裝），其總電源電流小于45uA（典型值），因此它們是該電池供電解決方案的出色選擇。

設(shè)計(jì)技巧/注意事項(xiàng)

1.考慮電路的總電源電流時(shí)，電阻值R1、R2、R3和R4的選擇也很重要。電阻選擇是噪聲與功耗的權(quán)衡結(jié)果。對(duì)于此電路，最好選擇較大的電阻值以最大程度地減少額外的電源電流。電路中有兩個(gè)地方需要額外的電源電流。I1為流經(jīng)電阻分壓器的電流：I2為流經(jīng)第二級(jí)增益電阻的電流。為獲得最大輸出信號(hào)，增加的電源電流將是：

2.對(duì)于電阻分壓器（R1、R2），可以增加一個(gè)電容C1以對(duì)噪聲進(jìn)行限帶，并減少對(duì)+Vs的60Hz或其他干擾。電容越大，噪聲濾波越好，但上電時(shí)Vbias將需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定下來。建立到1%以內(nèi)所需的時(shí)間估計(jì)為：

3.ADA4505緩沖器用于將Vbias驅(qū)動(dòng)到圖1所示電路的不同節(jié)點(diǎn)。AD8235的REF引腳上需要低阻抗驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樵撘_的輸入阻抗是阻性。任何額外的串聯(lián)電阻都會(huì)降低CMRR并增加增益誤差。緩沖器還會(huì)防止Rfilt和R3的加載效應(yīng)。通過向Rfilt和R3提供相同的Vbias，沒有放大這兩個(gè)偏置點(diǎn)之間的直流差的風(fēng)險(xiǎn)。此外，這還會(huì)降低從Vbias到Vout的噪聲貢獻(xiàn)，因?yàn)橄嚓P(guān)噪聲源會(huì)抵消。如果Vout相對(duì)于Vbias測(cè)量，而不是相對(duì)于地測(cè)量，上述噪聲貢獻(xiàn)還能進(jìn)一步降低。

4.雖然直流規(guī)格不會(huì)對(duì)這樣的交流耦合解決方案產(chǎn)生重大影響（誤差遠(yuǎn)小于傳感器Voffset），但在設(shè)置最大輸出擺幅范圍時(shí)應(yīng)加以考慮，因?yàn)橹绷饕?guī)格會(huì)增加總差分輸入擺幅。需要考慮的直流規(guī)格包括失調(diào)電壓和任何流經(jīng)AD8235的傳感器阻抗以及流經(jīng)ADA4505的Rfilt、R3、R4的輸入偏置電流。設(shè)計(jì)的目標(biāo)溫度范圍也可能增加這些直流誤差。如果總差分輸入擺幅變得太大，以至于第一或第二增益級(jí)存在飽和的風(fēng)險(xiǎn)，那么可以通過降低增益或提高電源電壓+Vs來解決此問題。任何+Vs電源變化也應(yīng)予以考慮。

5.確保輸入/傳感器的偏置位于AD8235的輸入共模范圍內(nèi)。這是一個(gè)單電源解決方案，鑒于共模輸入電壓與輸出范圍的關(guān)系或“鉆石圖”，大多數(shù)儀器放大器的最優(yōu)值位于中間電源電壓(+Vs/2)。此共模電壓可以由第三電極提供，例如生物電勢(shì)應(yīng)用。下面的設(shè)計(jì)仿真部分將介紹一種對(duì)此有幫助的儀表放大器鉆石圖工具。

6.交流耦合選擇在圖1所示位置而不是輸入端，有兩個(gè)重要原因。當(dāng)交流耦合在輸入端時(shí)，兩個(gè)輸入端都需要濾波器來保持電路的差動(dòng)平衡，因此這些元件的容差會(huì)影響濾波器的匹配程度，并會(huì)降低共模抑制相對(duì)于頻率的性能。此外，所選的電阻會(huì)限制輸入阻抗。有關(guān)這兩個(gè)電路的示例比較，請(qǐng)參見附錄。

設(shè)計(jì)步驟

1.設(shè)置Vbias：

為使電源電流貢獻(xiàn)小于1uA，設(shè)置R1=R2=10MΩ。

ADA4505之前的電阻分壓器的輸出：

使用容差小于1%的R1和R2，將使V_bias變化保持較低水平，有助于最大程度地提高第一和第二增益級(jí)的輸出擺幅。結(jié)合1%電阻和ADA4505緩沖器的Vos：

為了消除電阻的交流電源干擾和噪聲，設(shè)置C1使得截止頻率至少小于Vsignal最低頻率0.5Hz。在這種情況下，C1設(shè)置為0.1uF：

2.設(shè)置第一級(jí)增益

首先，考慮AD8235輸出擺幅范圍對(duì)供電軌的限制。對(duì)于給定電源電壓，這些值可以從數(shù)據(jù)手冊(cè)的“高輸出電壓”和“低輸出電壓”部分找到。這種情況下沒有阻性負(fù)載，保守起見，我們使用100kΩ擺幅的最差情況：

由于輸入是全差分式，因此就Vbias而言，這將是最差情況輸出擺幅。

對(duì)于正輸入信號(hào)(V_{bias_max}=1.67V)：

對(duì)于負(fù)輸入信號(hào)(V_{bias_min}=1.63V)：

現(xiàn)在為了設(shè)置增益，計(jì)算總預(yù)期差分輸入信號(hào)，并使用正負(fù)擺幅范圍的下限來設(shè)置最大擺幅范圍：

沒有外部Rg電阻時(shí)，AD8235的最小增益為5，因此我們使用此值，從而為直流誤差和其他情況留一些裕量。另外，必須檢查選定增益情況下的“鉆石圖”。有關(guān)此操作，請(qǐng)參見設(shè)計(jì)仿真部分。

3.設(shè)置高通濾波器

假設(shè)Rfilt和Cfilt的元件容差為±10%，最快時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于V_signal最低頻率：

如果選擇Rfilt=100kΩ并重新整理方程：

采用最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容值，設(shè)置Cfilt = 4.7uF，那么更新后的標(biāo)稱截止頻率為：

如果設(shè)計(jì)規(guī)格需要對(duì)最小信號(hào)頻率進(jìn)行某種最低衰減，則很容易檢查給定濾波器的截止頻率。請(qǐng)參見此電路的示例：

現(xiàn)在為了設(shè)置增益，計(jì)算ADA4505輸入端的總預(yù)期差分輸入信號(hào)，并使用正負(fù)擺幅范圍的下限來設(shè)置最大擺幅范圍：

我們采用大約25倍的增益，以為直流誤差和其他元件容差留一些裕量，并選擇R4 = 1MΩ，以在最大信號(hào)擺幅時(shí)保持較低電源電流。

將R3四舍五入到下一典型電阻值，得到43kΩ。

4.設(shè)置第二級(jí)增益

使用類似于第一級(jí)增益的方法，首先根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)確定ADA4505輸出擺幅范圍限值。阻性負(fù)載未知，保守起見，我們將使用10kΩ最差情況：

由于輸入是全差分式，因此就Vbias而言，這將是最差情況輸出擺幅。

對(duì)于正輸入信號(hào)(V_{bias_max}=1.67V)：

對(duì)于負(fù)輸入信號(hào)(V_{bias_min}=1.63V)：

5.利用Cfilt2設(shè)置低通濾波器

首先使用增益帶寬積(GBP)確定ADA4505在24.26倍增益下的帶寬：

如果目標(biāo)帶寬因?yàn)轭A(yù)期最大信號(hào)頻率而需要進(jìn)一步降低，以及/或者需要限制寬帶噪聲，那么可以使用電容Cfilt2。假設(shè)R4和Cfilt2的元件容差為+/-10%，最慢時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于V_signal最大頻率

使用1MΩ的R5，重新整理方程：

然后可以將其四舍五入到最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容值3.3nF，因此更新后的截止頻率為：

如果設(shè)計(jì)規(guī)格需要對(duì)最大信號(hào)頻率進(jìn)行某種最低衰減，則很容易檢查給定濾波器的截止頻率。

請(qǐng)參見此電路的示例：

設(shè)計(jì)仿真

為了檢查儀表放大器的共模輸入范圍與輸出電壓的關(guān)系或“鉆石圖”，您需要提供電源電壓+Vs、基準(zhǔn)電壓、增益、共模擺幅和差分輸入擺幅。ADI公司的儀表放大器鉆石圖工具可幫助了解輸入擺幅是否在器件的工作范圍以內(nèi)。請(qǐng)注意，該工具使用的輸出擺幅使用最差情況的負(fù)載條件（最小阻性負(fù)載）。因此，如果按照該工具的限值進(jìn)行設(shè)計(jì)，則對(duì)于較大阻性負(fù)載，系統(tǒng)將會(huì)有更多裕量。

查看圖2中的結(jié)果，綠色輪廓是在給定電源電壓、輸出擺幅、輸入共模范圍和器件基準(zhǔn)電壓下AD8235的可用范圍。紅色輪廓顯示了對(duì)于給定的共模和差分輸入模式擺幅，您使用了多少可用范圍。目標(biāo)是讓紅色輪廓保持在綠色輪廓以內(nèi)。如果某些條件違反了此要求，工具將顯示錯(cuò)誤并提供建議。為了進(jìn)一步了解儀表放大器內(nèi)部發(fā)生的事情，“Internal Circuitry”（內(nèi)部電路）選項(xiàng)卡會(huì)顯示內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電壓。

LTspice是一款出色的仿真工具，可用來檢查上文進(jìn)行的設(shè)計(jì)過程計(jì)算，包括其他有意義的規(guī)格，例如目標(biāo)信號(hào)頻帶的噪聲性能。LTspice原理圖如下圖3所示。第一個(gè)仿真是瞬態(tài)仿真，直流偏移為300mV，輸入信號(hào)為±10mV (5Hz)。圖4顯示了電路中各級(jí)的信號(hào)。綠色曲線是總差分輸入信號(hào)。紅色曲線是AD8235輸出端的放大后信號(hào)。藍(lán)綠色曲線顯示了移除直流偏移后的高通濾波器輸出，最后的藍(lán)色曲線顯示了最終的放大后5Hz信號(hào)。

圖2 AD8235鉆石圖工具示例

圖3 LTSPICE原理圖

圖4 在電路不同級(jí)進(jìn)行的瞬態(tài)仿真，V_offset=300mV，V_signal=±10mV

圖5使用嚴(yán)苛的2Vp-p 60Hz Vcm輸入信號(hào)（綠色），而未施加任何差分信號(hào)。在電池供電的應(yīng)用中，60Hz信號(hào)達(dá)到如此高的電平是不太可能的，但這是需要考慮的事情。請(qǐng)注意，圖中的所有信號(hào)都位于Vbias = 1.65V的直流電壓。大部分衰減來自AD8235的CMRR，其在60Hz時(shí)大于60dB（紅色和藍(lán)綠色曲線~7.5mVp-p）。最終輸出（藍(lán)色曲線~110mVp-pk）經(jīng)放大后，由48Hz低通濾波器部分衰減。

圖6顯示了如果共模和差模輸入同時(shí)存在，信號(hào)將是什么樣子?？梢钥吹?，60Hz信號(hào)作為紋波出現(xiàn)在已被放大的較慢5Hz信號(hào)之上。圖7顯示，對(duì)于圖4中的仿真設(shè)置，來自+Vs的電源電流小于52uA。

圖5 在電路不同級(jí)進(jìn)行的瞬態(tài)仿真，Vcm=1.65V±1V

圖6 在電路不同級(jí)進(jìn)行的瞬態(tài)仿真，V_offset=300mV，V_signal=±10mV，V_cm=1.65V±1V

圖8中的另一個(gè)仿真顯示了圖3中電路的頻率響應(yīng)。峰值幅度是在5Hz頻率確定的，光標(biāo)1和2分別放置在高通和低通濾波器的-3dB點(diǎn)。下表顯示了計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較。

表2-計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果

在頻率響應(yīng)中，值得一提的是對(duì)于此電路中使用的低通濾波器，當(dāng)Cfilt2短路時(shí)，第二級(jí)的增益降至1。這意味著，來自AD8235和高通濾波器的信號(hào)在達(dá)到AD8235的帶寬之前不會(huì)繼續(xù)衰減。為了進(jìn)一步濾波，可以將一個(gè)低通濾波器放在第二增益級(jí)的輸出端，就像通常在ADC之前所做的那樣。

圖9中的另一個(gè)仿真顯示了圖3中電路的電壓噪聲密度與頻率的關(guān)系（折合到輸入）。做法是將輸出噪聲除以解決方案的總增益(121.3)。使用有效值噪聲計(jì)算器來計(jì)算從0.5Hz到40Hz（即目標(biāo)Vsignal頻率范圍）的積分噪聲。要使用此計(jì)算器，首先右鍵單擊圖形的x軸以設(shè)置目標(biāo)頻率范圍，然后按住Ctrl鍵并左鍵單擊波形名稱(V(onoise)/121.3)。使用下式可輕松將有效值噪聲轉(zhuǎn)換為峰峰值噪聲：

快速檢查AD8235噪聲，確定這是主要的噪聲源。這是有道理的，因?yàn)殡娐分械乃衅渌肼曉炊际窃诘谝患?jí)增益之后，折合到輸入端的總噪聲貢獻(xiàn)得以減少。

圖7 總電源電流的瞬態(tài)仿真，V_offset=300mV，V_signal=±10mV

圖8 圖3中電路的頻率響應(yīng)

圖9 圖3中電路的電壓噪聲密度與頻率的關(guān)系（折合到輸入）

設(shè)計(jì)器件

表3 儀表放大器

表4 運(yùn)算放大器

參考資料

儀表放大器鉆石圖工具

鉆石圖工具是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，可生成特定配置的輸出電壓范圍與輸入共模電壓關(guān)系圖，也被稱為鉆石圖，適用于ADI儀表放大器。

LTspice

LTspice^?是一款高性能SPICE III仿真軟件、原理圖采集工具和波形查看器，集成增強(qiáng)功能和模型，簡(jiǎn)化了開關(guān)穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器和信號(hào)鏈電路的仿真。

附錄

圖10顯示了LTSPICE原理圖，其中比較了在輸入端交流耦合的構(gòu)想與在AD8235輸出端交流耦合的做法。使用了相同的濾波器截止頻率，但對(duì)于輸入濾波器使用最差情況5%容差不匹配。共模與頻率的關(guān)系圖（折合到輸入）如圖10所示，其中比較了圖1中電路（Vout1，綠色曲線）與前方的交流耦合（Vout2，藍(lán)色曲線）。該結(jié)果未考慮傳感器的任何其他不平衡（例如電極），也未考慮電容的ESL和ESR。

圖10 交流耦合電路的比較（AD8235之前和之后）

圖11 圖10所示電路的CMRR與頻率關(guān)系圖的比較