電子系統(tǒng)中用于模擬接口的超級放大器和濾波器

一種普遍的觀點認為，數(shù)字電路只是自然工作，但模擬電路很難實現(xiàn)。這種古老的信念是有道理的——模擬接口是一門需要培訓(xùn)的專家學(xué)科。此外，避免問題總是比以后嘗試解決問題更好。這就是為什么我們應(yīng)該利用經(jīng)驗豐富的模擬工程師作為反射執(zhí)行的一些基本概念。本應(yīng)用筆記提供了一些關(guān)于放大器和濾波器的基本提醒和概念，供您在設(shè)計時考慮。

介紹

作為孩子，我們學(xué)會了分享，在這個過程中，我們了解了部分。許多父母教給孩子這一點，讓一個孩子切餡餅或蛋糕，然后讓另一個孩子先挑一塊。我們可以肯定，我們非常小心地使這些碎片的尺寸都相同。

我們想起了生活中的一個很好的教訓(xùn)，“比例很重要。我們在日常生活中比較不同路線之間的距離或兩種食物的味道時，會使用比率。（是的，媽媽的廚藝更好，或者我們太小了，不知道有什么區(qū)別？

從兒童、餡餅和蛋糕轉(zhuǎn)向模擬工程設(shè)計，我們意識到比率（相對數(shù)量、比例、百分比、份額、零件和分數(shù)）都是模擬設(shè)計中的重要度量。當(dāng)我們忽略這些比例和關(guān)系時，我們會將人為錯誤引入到必須是一個精確的過程中。本應(yīng)用筆記分享了一些關(guān)于放大器和濾波器的模擬概念，這些概念將有助于減少“人為”誤差的幾率并改進模擬設(shè)計。

信噪比 （SNR） 的注意事項

串?dāng)_和信噪比（SNR）表示為比率，即好與壞的比例。如何提高信號的信噪比？如果特定電路貢獻了相當(dāng)大的噪聲，我們有兩個基本選擇：第一，以某種方式降低噪聲，第二，在好信號通過級之前增加其幅度。圖 1 說明了該概念。

圖1.電源噪聲被添加到信號中。

在應(yīng)用筆記4992“減少人為錯誤的可能性：第1部分，電源和接地”中，我們重點討論了電源噪聲、接地和布局。在這篇配套文章中，我們將研究如何控制信號路徑中的噪聲。我們將在各個電路階段討論信號和噪聲的特性。

開關(guān)電源的主要噪聲源是諧波嗎？如果電源噪聲為50kHz或更高，并且我們想要的信號為1kHz，則濾波可能是可行的。如果我們接下來要進入ADC，抗混疊濾波器可能會有所幫助。

降低噪音

經(jīng)驗豐富的電路設(shè)計人員會評估哪些可能性？最簡單的解決方法是在添加噪聲之前放大信號。是的，足夠簡單，但不幸的是，這種解決方案通常無法使用，因為輸入信號已經(jīng)存在噪聲。所以現(xiàn)在我們發(fā)揮創(chuàng)造力，考慮如何將信號與噪聲分開？我們可以使用高通、低通或帶通濾波器嗎？我們能否根據(jù)幅度、限幅、噪聲消隱或取芯進行區(qū)分？我們可以在引入噪聲之前使用預(yù)加重，在引入噪聲之后使用去加重來提高信噪比嗎？我們是否可以根據(jù)時間進行區(qū)分，即以最小的噪聲水平或干擾時間進行采樣？我們是否可以對時間平均，或者如果信號是重復(fù)的，我們是否可以對周期求和或兩個、三個或更多維度的平均值？

從組件功能轉(zhuǎn)向，考慮整個系統(tǒng)。系統(tǒng)目標(biāo)是什么？如何使用該系統(tǒng)？人類的感官將如何與系統(tǒng)提供的信息相互作用？簡而言之，考慮我們可以收集的所有信息。

上述問題反映了豐富的設(shè)計經(jīng)驗和知識。這正是聰明的公司聘請經(jīng)驗豐富的工程師并指導(dǎo)新工程師建立堅實的設(shè)計團隊的原因。

我們可以用一個例子來說明思考和發(fā)展過程。第一個觀察發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的輸入端有一個高增益運算放大器。運算放大器為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）供電。信號上偶爾會出現(xiàn)較大的噪聲脈沖，這會導(dǎo)致運算放大器飽和。運算放大器的恢復(fù)時間可能長達毫秒或秒。我們將如何處理這個問題？由于每個案例都會有所不同，我們只會提出問題并指出可能的解決方案。

首先，收集數(shù)據(jù)以嘗試了解正在發(fā)生的事情。我們可以修復(fù)源頭嗎？不。因此，我們認為噪聲峰值是不可避免的。我們對它的上升時間幅度和持續(xù)時間了解多少？如果尖峰非?？烨要M窄，而我們想要的信號相對較慢，我們可以通過濾波將它們分開嗎？我們能否檢測到尖峰并打開串聯(lián)開關(guān)以消除主路徑中的尖峰？我們是否可以添加一對像靜電放電（ESD）結(jié)構(gòu)這樣的二極管來削波任何高于V的信號抄送還是地下？我們能否從應(yīng)用筆記4344“軌道分離器，從亞伯拉罕·林肯到虛擬地面”中學(xué)習(xí)？在該應(yīng)用筆記的圖2中，我們創(chuàng)建了一個介于V之間的電壓抄送并在所需信號的平均信號電平處接地。如果將串聯(lián)電阻替換為一對背靠背二極管（圖 2），則信號尖峰將限制在電壓 ±硅二極管（紅色虛線）為 0.6V，肖特基二極管為 ~±0.3V（綠色虛線）。硅二極管的反向恢復(fù)時間可以在一百到幾百納秒之間。肖特基二極管對于小信號二極管的開關(guān)時間為~100ps，但由于其工作物理特性，沒有反向恢復(fù)時間。二極管也可以放置在運算放大器反饋環(huán)路中，以降低尖峰期間的增益。圖 3 顯示了限制的效果。

圖2.用一對背靠背二極管代替串聯(lián)電阻。

圖3.二極管限幅器效應(yīng)，±0.3V肖特基，±0.6V硅。

圖3可能有助于緩解運算放大器飽和和恢復(fù)時間，但這足夠嗎？我們可以添加電路來消除噪聲脈沖，如圖4所示。

圖4.噪聲脈沖消隱。

消隱電路的框圖如圖5所示。

圖5.噪聲消隱框圖。

從圖5中消隱的基本概念來看，可以添加更多的優(yōu)雅。如果源為低阻抗，則可能不需要輸入緩沖器。R1和R2設(shè)置直流值，如上文應(yīng)用筆記4344“軌道分離器，從亞伯拉罕·林肯到虛擬接地”所示?；蛘?，輸入信號可以是交流耦合到相同的電壓，或者可以長期平均輸入信號以產(chǎn)生該電壓。主信號路徑是從輸入緩沖器通過RC延遲、多路復(fù)用器、緩沖器和低通濾波器到ADC。MAX11203 ADC具有4個由SPI接口控制的通用輸入或輸出（GPIO）端口。GPIO設(shè)置為MAX313多路復(fù)用器的AIN1導(dǎo)通，AIN2關(guān)斷。我們高通或區(qū)分噪聲脈沖。雙通道或窗口比較器輸出將處于活動狀態(tài)，而正向或負方向的噪聲脈沖超過0.3V。異或門控將邏輯反相至多路復(fù)用器，從而關(guān)閉主路徑并接通直流電壓。RC延遲還會延遲主路徑足夠長的時間，以使比較器路徑改變狀態(tài)。如果RC延遲使信號帶寬降低太多，則可以使用LC延遲線代替。

圖5所示的輸入緩沖器可以使用MAX4209儀表放大器，盡管增益很高，但失調(diào)漂移極低。

圖5所示ADC之前的濾波器可以控制信號帶寬，以滿足奈奎斯特抗混疊、降低噪聲或軟化殘余消隱毛刺。

結(jié)論

每個電路和系統(tǒng)中的噪聲和干擾控制都不同。值得慶幸的是，物理定律占了上風(fēng)，工程師必須努力消除噪音。該討論試圖幫助設(shè)計人員在設(shè)計開始之前和設(shè)計過程中預(yù)測噪聲和干擾問題。產(chǎn)品投入生產(chǎn)后，修正的選擇受到嚴(yán)重限制。

審核編輯：郭婷