高阻抗高CMR、±10V模擬前端信號(hào)調(diào)理電路圖 - 全文

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1所示電路是一個(gè)完整的模擬前端，它利用一個(gè)16位差分輸入PulSAR? ADC對(duì)±10 V工業(yè)級(jí)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。該電路僅利用兩個(gè)模擬器件，來提供一路具有高共模抑制（CMR）性能的高阻抗儀表放大器輸入、電平轉(zhuǎn)換、衰減和差分轉(zhuǎn)換功能。由于具有高集成度，該電路可節(jié)省印刷電路板空間，為常見的工業(yè)應(yīng)用提供高性價(jià)比解決方案。

　　在過程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，典型的信號(hào)電平最高可達(dá)±10 V。而來自熱電偶和稱重傳感器等傳感器的信號(hào)輸入則較小，因此常常會(huì)遇到大共模電壓擺幅，這就需要靈活的模擬輸入，它能以高共模抑制性能處理大小差分信號(hào)，同時(shí)具有高阻抗輸入。

　　圖1. 適合工業(yè)過程控制應(yīng)用的高性能模擬前端（原理示意圖：所有連接和去耦均未顯示）

　　用現(xiàn)代低壓ADC處理工業(yè)級(jí)信號(hào)時(shí)，必須進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。此外，全差分輸入ADC具有以下優(yōu)勢(shì)：良好的共模抑制性能，更少的二階失真產(chǎn)物，以及簡(jiǎn)化的直流調(diào)整算法。因此，工業(yè)信號(hào)需要經(jīng)過進(jìn)一步調(diào)理才能與差分輸入ADC正確接口。

　　圖1所示電路是一個(gè)完整且具有高集成度的模擬前端工業(yè)級(jí)信號(hào)調(diào)理器，僅使用兩個(gè)有源器件來驅(qū)動(dòng)差分輸入16位PulSAR ADC AD7687 ：精密儀表放大器（片內(nèi)集成兩個(gè)輔助運(yùn)算放大器） AD8295 precision in-amp （with two on-chip auxiliary op amps） 和電平轉(zhuǎn)換器/ADC驅(qū)動(dòng)器AD8275 。低噪聲2.5V XFET?基準(zhǔn)電壓源 ADR431 為ADC提供基準(zhǔn)電壓。

　　AD8295是一款精密儀表放大器，片內(nèi)集成兩個(gè)非專用信號(hào)處理放大器和兩個(gè)精密匹配的20 kΩ電阻，采用4 mm × 4 mm封裝。

　　AD8275是一款G = 0.2差動(dòng)放大器，可以用來衰減±10 V工業(yè)信號(hào)，衰減后的信號(hào)可以與單電源低壓ADC輕松接口。AD8275在該電路中執(zhí)行衰減和電平轉(zhuǎn)換功能，可以保持良好的CMR，無需任何外部元件。

　　AD7687是一款16位逐次逼近型ADC，采用2.3 V至5.5 V的單電源供電。它采用差分輸入，具有良好的CMR，并且能夠簡(jiǎn)化SAR ADC的使用。

　　電路描述

　　該電路由用作模擬前端電路的AD8295和AD8275、ADC AD7687以及基準(zhǔn)電壓源ADR431組成，只需少量外部元件進(jìn)行去耦等。

　　儀表放大器（集成于 AD8295）

　　AD8295中集成的儀表放大器（IA）的工作條件設(shè)置為1倍的增益。如果應(yīng)用需要更高的增益，可以增加一個(gè)適當(dāng)?shù)耐獠吭鲆骐娮琛D8295的電源為±15 V，完全支持±10 V工業(yè)輸入信號(hào)電平。儀表放大器的基準(zhǔn)電壓引腳接地，因此AD8295的輸出以地為基準(zhǔn)。

　　差動(dòng)放大器/衰減器（ AD8275）

　　AD8295儀表放大器輸出單端信號(hào)，最大幅度為±10 V。必須將該信號(hào)衰減并轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)碾娖?，以便?qū)動(dòng)AD7687 ADC。如果在AD8295的輸出端直接使用一個(gè)簡(jiǎn)單的阻性電平衰減器級(jí)，將無法提供差分輸出來驅(qū)動(dòng)ADC。AD8275 （G = 0.2）電平轉(zhuǎn)換器是一個(gè)差動(dòng)放大器，內(nèi)置精密激光調(diào)整匹配薄膜電阻，可確保低增益誤差、低增益漂移（最大1 ppm/°C）和高共模抑制（80 dB）特性。AD8275具有+3.3 V至+15 V的寬電源電壓范圍，采用+5 V單電源供電時(shí)，輸入電壓范圍寬達(dá)?12.3 V至+12 V。

　　圖1所示電路使用一個(gè)平衡差動(dòng)放大器，它由AD8275 （U2）和AD8295中的一個(gè)非專用運(yùn)放（U1-C）組成。此運(yùn)放（U1-C）用于反轉(zhuǎn)AD8275的正輸出（從而提供互補(bǔ)的負(fù)輸出），并且驅(qū)動(dòng) AD8275的REF1和REF2引腳。差分輸出的輸出共模電壓（VCOM = 1.25 V）由連接到2.5 V基準(zhǔn)電壓源的10 kΩ外部電阻分壓器產(chǎn)生，并且應(yīng)用于U1-C的同相輸入。描述電路操作的方程式如下：

　　VOUTP + VOUTN = 2 × VCOM

　　VOUTP = VOUTN + 0.2 × VIN

　　VOUTP = VCOM + 0.1 × VIN

　　VOUTN = VCOM ? 0.1 × VIN

　　根據(jù)以上方程式，對(duì)于±10 V輸入電壓，ADC的各輸入電壓（VOPTP和VOUTN）擺幅為0.25 V至2.25 V，彼此180°反相，共模電壓為1.25 V。因此，差分信號(hào)使用ADC可用差分輸入范圍5 V中的4 V。

　　ADR431是2.5 V XFET系列基準(zhǔn)電壓源，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。ADR431驅(qū)動(dòng)電阻分壓器和AD7687 ADC的基準(zhǔn)電壓輸入。ADR431輸出由AD8295中的另一個(gè)非專用運(yùn)放（U1-B）緩沖，并且驅(qū)動(dòng)AD7687的電源（VDD）。由兩個(gè)33 Ω電阻和一個(gè)1.5 nF電容組成的一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器充當(dāng)AD7687的3 MHz截止抗混疊和降噪濾波器。

　　布局布線考慮

　　該電路或任何高速/高分辨率電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB布局，包括但不限于電源旁路、信號(hào)路由以及適當(dāng)?shù)碾娫磳雍徒拥貙?。有關(guān)PCB布局的詳情，請(qǐng)參見指南 Tutorial MT-031、 MT-101和“高速印刷電路板布局實(shí)用指南”一文。

　　圖2. Kaiser窗口（參數(shù) = 20）、20 kHz輸入、250 kSPS采樣速率下的FFT

　　系統(tǒng)性能

　　交流性能在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行測(cè)試，AD7687的采樣速率為250 kSPS。圖2所示為5 V p-p 20 kHz輸入時(shí)的FFT測(cè)試結(jié)果。圖3所示為10 V DC輸入時(shí)的ADC輸出直方圖。

　　評(píng)估軟件產(chǎn)生的結(jié)果如下：

　　SNR = 85.531 dBFS （不含諧波）

　　信納比（SINAD） = 81.432 dBFS.

　　SFDR = 77.403 dBFS.

　　THD = –76.479 dBFS

　　圖3. 10 V DC輸入時(shí)的直方圖，15，000個(gè)樣本