高性能電容傳感器檢測(cè)系統(tǒng)*(下)
C/V變換電路設(shè)計(jì)
高增益、低噪聲放大技術(shù)—T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)
基本的交流放大電路如圖7。
圖7 反相比例放大器模型
us為激勵(lì)信號(hào)源。Cs為傳感器電容。1pF的電容在450KHz時(shí)的阻抗為353KW。在取單位增益時(shí),RF的取值為353 KW,其噪聲電壓密度為:
低噪聲運(yùn)算放大器的等效輸入噪聲電壓密度為0.9到3。反饋電阻的噪聲成為突出的問題。
電阻的噪聲與電阻的阻值的二次方根成正比。減小反饋電阻的阻值即可以減小放大電路的總體噪聲。因此,首先應(yīng)取較高的激勵(lì)電壓,放大電路可以取較小的增益,即RF可以取較小的值。其次可以采用T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)來減小反饋電阻的阻值。
使用T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)的放大器如圖8所示。
圖8 T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)電路
應(yīng)用星形電阻網(wǎng)絡(luò)與三角形電阻網(wǎng)絡(luò)等效變換,可得圖9。
圖9 T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)等效電路
為分析簡(jiǎn)便,取R1等于R2。
T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)等效到輸出端的電壓噪聲密度:
由于運(yùn)算放大器等效輸入噪聲電流密度非常小,可以只考慮輸入運(yùn)算放大器的等效輸入電壓噪聲。運(yùn)算放大器的等效輸入電壓噪聲經(jīng)放大后的輸出噪聲電壓密度為:
由于R’相對(duì)于較小,忽略掉部分,則有:
則總的輸出電壓噪聲為反饋網(wǎng)絡(luò)噪聲和運(yùn)放噪聲共同作用的結(jié)果。同相輸入端的電阻RP的噪聲可以通過與RP并聯(lián)一個(gè)大容量的旁路電容濾除掉,對(duì)輸出結(jié)果不產(chǎn)生影響。
將前式代入可得:
當(dāng)enp取1(LT6230)時(shí),計(jì)算得到:
當(dāng)G等于14.6時(shí),輸出電壓噪聲最小。
eno = 23.9 R1= 21.2 KW R3= 1.45 KW
通過使用T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò),使得反相比例放大器的輸出噪聲大大降低。
相控整流
相控整流電路的傳遞函數(shù)為:
這里,放大器選用了LT6231。設(shè)計(jì)中并聯(lián)使用了兩個(gè)相同的變?cè)鲆娣糯箅娐?,來與后續(xù)的全差動(dòng)放大器LT1994配合。
S/D型A/D轉(zhuǎn)換器
常用的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器工作原理主要有三種類型:積分型,逐次逼近型和D/S型。
積分型A/D轉(zhuǎn)換器由于轉(zhuǎn)換速率低,只有很少的應(yīng)用。逐次逼近型和D/S型A/D應(yīng)用很廣泛。而逐次逼近型A/D中D/A變換器的線性問題和放大器、比較器等的噪聲問題制約了其分辨率的進(jìn)一步提高。同時(shí),高精度D/A網(wǎng)絡(luò)制造的復(fù)雜性使得器件成本較高。
S/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)則在于它把大部分轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)移到了數(shù)字域。模擬器件較少,且工藝要求較低。
S/D轉(zhuǎn)換器低成本高性能的特性使其得到越來越廣泛的應(yīng)用。
S/D型A/D轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)
S/D型A/D轉(zhuǎn)換器的組成如圖10。
圖10 A/D轉(zhuǎn)換器組成
S/D調(diào)制器由差分放大器、積分器、比較器(1位量化器)、鎖存器,1位D/A轉(zhuǎn)換器組成。由于1位DAC只有兩個(gè)輸出,因此它在整個(gè)電壓范圍內(nèi)均是線性化的(DAC的最終精度主要取決于基準(zhǔn)電壓的精度)。這種高水平的線性化是 D/S轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高精確度的原因之一。
同時(shí),S/D型A/D轉(zhuǎn)換器還使用過采樣技術(shù)、噪聲成形技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)來得到高精度的數(shù)據(jù)輸出。
過采樣
對(duì)于量化單位為q的n位A/D轉(zhuǎn)換器,若假定量化噪聲為白噪聲,則量化噪聲功率的方差為:
由于量化噪聲均勻分布在整個(gè)采樣頻帶內(nèi),量化噪聲的功率譜為:
可見,在量化電平一定時(shí),采樣頻率越高,噪聲功率譜密度越低。S/D型A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)頻率(大于100倍),從而獲得較低的噪聲功率譜密度。這就是過采樣技術(shù)。
然而對(duì)于S/D型A/D轉(zhuǎn)換器的1比特量化器,在采用較高的過采樣頻率下量化噪聲密度仍然很高。S/D調(diào)制器的噪聲成形作用將信號(hào)頻帶的噪聲密度進(jìn)一步降低。
S/D調(diào)制器的噪聲成形作用
一個(gè)一階S/D調(diào)制器由差動(dòng)放大器、積分器、比較器(1位量化器)、鎖存器,1位D/A轉(zhuǎn)換器組成(圖11)。輸入是被轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào),輸出是1比特的高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。
圖11 S/D調(diào)制器原理圖
整個(gè)S/D調(diào)制器模擬器件使用很少,對(duì)器件的精度和線性度要求不高。
在S/D調(diào)制器中,1位量化器由積分器構(gòu)成的濾波器的階數(shù)(積分器的個(gè)數(shù))。圖11給出的一階調(diào)制器的線性等效系統(tǒng)框圖如圖12。Q(z)為量化噪聲。
由圖12可得:
Y(z)=X(z)+(1-Z-1)Q(z)
可見,S/D調(diào)制器對(duì)信號(hào)是全通的,而對(duì)量化噪聲高通的。通過S/D調(diào)制器量化噪聲的頻譜密度發(fā)生了變化,這就是噪聲成形作用??傇肼暪β什蛔?,但低頻段的分布大大減少,如圖13。高頻段的噪聲將被數(shù)字濾波器濾除。
圖12一階調(diào)制器的線性等效系統(tǒng)框
數(shù)字濾波
數(shù)字抽取濾波器為FIR或IIR形式的低通濾波器,在濾除高頻段的量化噪聲的同時(shí),對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行抽取,輸出低速率的多比特轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。
數(shù)字濾波器通常設(shè)計(jì)成可編程的形式。根據(jù)不同的應(yīng)用,可以設(shè)置不同的濾波特性,也就得到不同的數(shù)據(jù)輸出速率。輸出速率高,濾波器通頻帶寬,噪聲功率大,輸出數(shù)據(jù)的有效位數(shù)低。輸出速率低,濾波器通頻帶窄,噪聲功率小,輸出數(shù)據(jù)的有效位數(shù)高。
圖13 成形后的量化噪聲分布
器件選用
器件選用了LTC2446。這里主要考慮了較高的,同時(shí)是可編程的數(shù)據(jù)輸出速率;低噪聲。
A/D輸入驅(qū)動(dòng)
A/D輸入驅(qū)動(dòng)級(jí)采用全差分放大器LT1994。應(yīng)用電路如圖14。
圖14 LT1994應(yīng)用電路
LTC2446的輸入級(jí)為雙極性全差分輸入, VIN = IN+-IN-,其變化范圍為從-FS=-0.5
評(píng)論