簡介

電路設(shè)計充滿挑戰(zhàn)，即便是最富經(jīng)驗的工程師也難免遭遇困惑與阻礙。《電路設(shè)計常見問題解答》是ADI精心籌備的一份實用指南，力求為您鋪設(shè)一條清晰的學習與實踐之路。

Q1：設(shè)計雙極性輸入、全差分輸出 ADC 驅(qū)動器時需要考慮什么？

大多數(shù) ADC 驅(qū)動器電路既需要正電源電壓，也需要負電源電壓，并且其電源電壓超過 ADC 的輸入范圍。此要求是為了確保輸入和輸出級具有足夠的裕量擺幅。有時候，由于預算或空間約束，無法同時擁有正負供電軌。為了解決這個問題，我們將介紹需要采取哪些步驟來設(shè)計雙極性輸入、全差分輸出 ADC 驅(qū)動器，同時確保達到所需的噪聲和失真性能。

Q1：RTD 傳感器的 ADC 模擬前端(AFE)

工業(yè)中的一個常見做法是為特定應用需要的各種傳感器使用一個通用 ADC，然后為每種傳感器開發(fā)一個獨特的模擬前端(AFE)。本節(jié)將重點介紹 3 線 RTD 的 AFE，它適用于多種材料類型的 RTD。

AFE 的詳細原理圖

Q2：雙極性輸入到單極性輸出的信號調(diào)理

ADC 的輸入通常是單極性信號，其擺幅為從地到正滿量程。對于在正負滿量程之間擺動的雙極性信號，需要一個電路驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)換并壓縮到 ADC 輸入的單極性范圍。典型的運放式 ADC 驅(qū)動器的調(diào)整電路需要基準電壓、分壓器電阻和運放電源電壓。

通過調(diào)整和電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)雙極性到單極性轉(zhuǎn)換

本節(jié)介紹了針對給定偏置電壓 Vref 值進行調(diào)整和電平轉(zhuǎn)換的一般步驟。文中給出了利用調(diào)整電阻一步一步計算電阻和電容值的指南，并解決了一個示例設(shè)計問題。

Q1：如何設(shè)計跨阻放大器電路以測量不同尿酸濃度樣本

本節(jié)提供了解決與跨阻放大器(TIA)設(shè)計相關(guān)的特定設(shè)計挑戰(zhàn)的分步指南。如圖所示 TIA 電路在近紅外光強度轉(zhuǎn)電流的應用中用作模擬前端。這篇通過舉例來闡明的電路設(shè)計常見問題解答將聚焦于不同尿酸濃度樣本的測量。

光電二極管 TIA 前端電路設(shè)計

Q2：為 15Msps 18 位 ADC 設(shè)計輸入驅(qū)動器時應該考慮哪些因素

ADC 驅(qū)動器是數(shù)據(jù)采集信號鏈設(shè)計的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。ADC驅(qū)動器用于執(zhí)行許多關(guān)鍵功能，如輸入信號幅度調(diào)整、單端至差分轉(zhuǎn)換、消除共模偏移，并經(jīng)常用于實現(xiàn)濾波。本節(jié)電路討論了如何從單端輸入信號產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的差分輸出信號，并對信號進行電平轉(zhuǎn)換以確保其滿足 ADC 滿量程的性能需求。

Q1：如何利用間接電流模式儀表放大器放大具有大直流偏移的交流信號

在電磁流量計和生物電測量等應用中，小差分信號與大得多的差分偏移串聯(lián)。這些偏移通常會限制電路在前端設(shè)計中可以獲得的增益，進而影響整體動態(tài)范圍。當使用較低電源電壓時，例如在電池供電的信號鏈中，挑戰(zhàn)的難度更大。應對該挑戰(zhàn)的一種方案是使用交流耦合測量信號鏈。典型的交流耦合信號鏈包括一個低增益儀表放大器，其后是一個高通濾波器和額外的增益級。在大多數(shù)應用中，最好在第一級獲得盡可能多的增益，因為這有助于改善信號鏈中其他增益級的 RTI（折合到輸入端）噪聲。本節(jié)電路設(shè)計筆記將介紹間接電流模式儀表放大器架構(gòu)的設(shè)計和實施，從而在一級中實現(xiàn)高增益和交流耦合。

采用間接電流模式架構(gòu)的交流耦合信號調(diào)理電路

Q2：如何放大具有大直流偏移的交流信號

在電磁流量計或生物電測量等應用中，小差分信號與大得多的差分偏移串聯(lián)。這些偏移通常會限制您在前端可以獲取的增益，降低整體動態(tài)范圍，尤其是在使用電池供電的較低電源電壓的信號鏈上。本節(jié)指南將幫助您設(shè)計一個低功耗、交流耦合信號調(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。此外，本指南將有助于圍繞高通濾波器的增益級的劃分以及噪聲考慮因素。

電池供電的交流耦合信號調(diào)理電路

Q3：如何設(shè)計采用Sallen-Key濾波器的抗混疊架構(gòu)

在任何采樣系統(tǒng)中，例如涉及 ADC 的測量系統(tǒng)中，有一種稱為混疊的現(xiàn)象，它可能導致處于較高頻帶的信號“向下折疊”到奈奎斯特頻帶，使其與目標信號無法區(qū)分。奈奎斯特頻率是采樣速率 fs 的一半。由 ADC 采樣的電路帶寬應小于采樣速率的一半?；殳B會導致干擾信號和噪聲污染輸出，從而影響測量精度。

有些應用依賴頻域中的數(shù)據(jù)分析，例如狀態(tài)監(jiān)控、預防性維護、電力質(zhì)量監(jiān)控和被動聲納，對于這些應用中使用的測量系統(tǒng)，混疊是一個特別的問題。這些系統(tǒng)通常支持寬帶寬數(shù)據(jù)采集，能夠處理頻域中的振動、功率和聲學等信號，并根據(jù)信號音和諧波的特征做出決策。監(jiān)控的性質(zhì)要求使它們對頻譜干擾特別敏感。低通濾波器是這些測量系統(tǒng)中的信號鏈設(shè)計的重要組成部分，有助于防止帶外信號和噪聲折疊到目標信號帶寬中。

采樣速率足夠高，可分辨信號

低采樣速率，混疊回到 DC

Q4：如何為低功耗 Σ-Δ ADC 設(shè)計分立式低通抗混疊濾波器？

本節(jié)電路設(shè)計將重點關(guān)注針對Σ-Δ ADC衰減陷波設(shè)計抗混疊濾波器時要考慮的因素，并將提供有效的設(shè)計示例。將使用LTspice仿真原理圖來演示結(jié)果。

Q5：如何構(gòu)建用于傳感器激勵的大電流基準電壓源

許多應用中都會使用惠斯登電橋傳感器，比如流量計和壓力測量傳感器。精密基準電壓源通常需要大電流緩沖器，以便提供橋式傳感器激勵電壓。在驅(qū)動傳感器及其解耦電容時，緩沖器必須精確且穩(wěn)定。本節(jié)內(nèi)容旨在幫助大家解決設(shè)計具有大電流輸出的精密激勵電壓源時遇到的特定挑戰(zhàn)。

Q6：全橋應變計傳感器的 Spice模型

Q7：半橋應變計傳感器的 SPICE模型

Q8：如何在 SPICE 中構(gòu)建鉑 RTD 傳感器模型

Q9：四分之一橋接應變計傳感器的 SPICE 模型

Q10：如何在 SPICE 中構(gòu)建 J 型熱電偶傳感器模型