LT6372系列如何搞定从传感器到ADC的信号链难题?看了你就明白啦~

物联网时代下,万物皆可相连,每一个需要识别和管理的物体都可以安装传感器实现智能感知物联网。传感器技术作为一种感知技术,能够得到之前难以获取的海量数据与信息。然而在无数的工业、汽车、仪器仪表和众多其他应用中,却普遍存在一项挑战,就是如何精准地将微小的传感器信号正确连接到ADC,以实现数字化和数据采集。对此,包括ADI在内的全球信号处理解决方案供应商都纷纷推出各自的解决方案,试图彻底解决工程师在连接物理世界和数字世界之间的技术挑战。

IA驱动ADC遭遇增益缺陷

将ADC与传感器直接连接也是解决方案之一,甚至有些时候这种直接连接具有很大优势,能够节省空间和功耗。例如,高阻比例桥可以采用内置基准的ADC,从而省去外部基准。但是通常传感器信号都很微弱,并且还可能有很高噪声,这些都是ADC输入所不乐见的。

于是工程师们发现使用功能多样的仪表放大器(IA)连接传感器和ADC是一个有效的解决方案,因为仪表放大器具有高精度(低失调)和低噪声特性,不会破坏小输入信号。其差分输入适合于许多传感器信号(如应变计、压力传感器等),并且能够抑制任何存在的共模信号,仅留下我们感兴趣的原始小电压,而不会留下不需要的共模信号。但是在实践的过程中,由于各种各样的传感器或环境条件的限制,会让这样的设计存在缺陷。

仪表放大器被选中的原因之一是具有很大的输入阻抗,不会给传感器带来负载,确保脆弱的信号不受信号处理的影响。市面上的仪表放大器通常使用单个外部电阻即可提供很大的增益和可选增益范围,可让目标小信号适应远高于信号路径噪声电平的电压和ADC模拟输入(如图)。

图1. 传统仪表放大器

增益由外部电阻器RG的值来设定。要使用这类器件创建PGIA,只需切换RG的值即可。这种切换通常使用模拟开关或多路复用器来完成。但是,模拟开关的一些非理想行为让这项任务变得复杂,例如:

  • 开关导通电阻(RON)标称值及其变化会造成较大的增益误差。
  • 由于需要的开关RON值较低,高增益值可能无法实现。
  • 开关非线性会引起信号失真。这是因为信号电流直接流过RON,因此其值随电压的任何变化都会引起失真。

    •  Analog Employees 
    on Jun 30, 2021 3:28 AM

    创新架构搞定增益难题

    全球领先的高性能信号处理解决方案供应商ADI对此推出了LT6372系列产品,具有极高的输入阻抗,可以与传感器或类似信号输入接口,并提供大增益(LT6372-1)或低衰减(LT6372-0.2)而不会引起负载效应,同时其低失真和低噪声可确保精确转换而不会降低性能,支持16位和更低分辨率ADC以高达150 kSPS的速率运行。

    如图2所示,因为RG,F和RG,S引脚是单独引出的,在这个原理图中,惠斯登电桥(由R5至R8组成)产生的信号被放大,提供4个可能的增益值,用户可根据选择的SW1开关位置进行选择。利用 LT6372 系列引脚排列,我们可以创建一个PGIA以通过改变RF/RG比来获得所需的增益值。

     

    图2. LT6372-1 PGIA电桥接口,提供四种增益设置。

    此外,作为增益误差源的U1、U2模拟开关RON被降至最低,因为它可以与输入级反相端口及其反馈电阻串联。这样配置之后,RON只占内部12.1 kΩ反馈电阻总量的一小部分,因此对增益误差和漂移几乎没有影响。同样,由于RON值只占总反馈电阻的一小部分,其值随电压的变化几乎不会产生影响,因此开关非线性引起的失真可降至最低。此外,此器件的输入级由电流反馈放大器(CFA)架构组成,与传统的电压反馈放大器相比,它本身在增益变化时所允许的带宽或速度变化较小。上述所有这些因素综合在一起,让我们能够使用低成本外部模拟开关,创建具有精密增益步进的精密PGIA。

    图3所示为PGIA的简化图,展示了梯形电阻的不同抽头(由总共8个模拟开关实现,每次短接2个来设置增益)如何配置电路。在此图中,两个开关组由四种可能的增益值之一来描述;–RG,S和+RG,S引脚短接至RF3/RF4结。

    图3. LT6372-1的框图,以及PGIA的简化外部连接(未显示增益开关)。

    •  Analog Employees 
    on Jun 30, 2021 3:30 AM in reply to Admin_ADI

    分离基准与内置输出箝位配置

    对于大多数ADC而言,REF2与ADC VREF电压相连才能确保ADC模拟输入中间电平为VREF/2。然而许多被选作ADC驱动器的放大器需使用额外的基准电压源和其他外部电路才能将信号直接有效地平移到ADC FS电压范围内,这在一定程度上增加了设计的成本与复杂性。而LT6372系列采用分离基准配置(在图4中显示为分开的RF1和RF2引脚),简化了放大器输出到ADC输入范围中心的电平转换。

    图4. LT6372分离基准电压用于将信号移至ADC模拟输入信号范围内

    不仅如此,LT6372系列还内置输出箝位(CLHI和CLLO)确保ADC的敏感输入不会受到正向或负向瞬变的破坏或可能的损害。该系列支持无失真的输出摆幅达到箝位电压,并能够快速响应和恢复,从而在可能的瞬变触发任一箝位之后保护ADC并使之迅速恢复正常工作。