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测试、测量和仪表的“绿色” 之路

导读: 很多高速仪表的核心是一个高速模数转换器(ADC)。例如,金属物体的非破坏性测试采用一种类似于医疗超声的成像方法,采用这种方法时,数字图像传感器为高速ADC提供信号。

  很久以前,精确电气的测量是在原始的实验室环境中进行的,在这类环境中,有充足的电力供应,时间分配也能确保极高的准确性。今天,人们希望将仪表携带到现场,让仪表靠电池电源运行,并立即实现更高的准确性。模拟电路与数字电路不同,不会从较小的几何尺寸产生的比例效应中受益。如果功率消耗得较少,那么噪声(精确测量的大敌)实际上增加了。随着新的低压工艺出现,信噪比(SNR)变得更差了,这是可以理解的,因为信号幅度减小了。那么,在提高性能的同时,模拟信号链路怎样“走向绿色”呢?

  很多高速仪表的核心是一个高速模数转换器(ADC)。例如,金属物体的非破坏性测试采用一种类似于医疗超声的成像方法,采用这种方法时,数字图像传感器为高速ADC提供信号。在有些情况下,会有很多通道,因此尺寸和功耗是关键。便携式仪表显然需要节省电池功率,不过即使是固定式安装,也会关注功率,无论是为了实施“绿色”计划,还是仅仅要在外形尺寸紧凑的仪表中最大限度地降低热量。ADC的趋势是走向采用几何尺寸更小的工艺,并使用1.8V电源以降低功耗,但要实现与类似的3V器件同样或更高的性能,就需要更聪明的ADC设计。

  凌力尔特开发出了几款引脚兼容、采样率高达125Msps的1.8V超低功耗12位/14位和16位ADC系列,这些器件以非常低的功率提供卓越的动态性能。这些新器件无需减少功能或提高前端放大器的要求,就可以极大地降低功耗。由于可以选择单、双、4和8通道ADC,因此客户可以实现非常高的通道密度,同时确保系统中的热量最低。不过,ADC只是该链路的其中一部分。整个信号链路必须良好匹配,以使仪表顺利工作。

  匹配的信号通路设计

  就需要16位性能和超低功耗以延长电池寿命的应用而言,LTC2195系列是理想的解决方案。便携式仪表是一个完美的例子。在很多应用中,来自传感器的信号必须在ADC采样前进行调理。就这项任务而言,选择与ADC性能匹配的低噪声、低功率放大器是很重要,例如可以选择LTC6406,该器件与LTC2195系列是良好匹配的。

  LTC6406是一款全差分放大器,具低噪声(在输入端为1.6nV/√Hz)和高线性度(在20MHz时为+44dBmOIP3),采用小型3mmx3mmQFN封装。增益是用外部电阻器设定的,从而为用户提供了最大的设计灵活性。低功耗(用3.3V电源时为59mW)最大限度地降低了对系统功率预算的影响。这个放大器的共模电压范围还延伸至0.5V,这意味着,它可以与LTC2195无缝配对,因为LTC2195具0.9V的标称共模电压。

  一般情况下,数字传感器的输出是单端的。这就要求ADC采样之前,进行单端至差分转换。如果DC响应也需要,那么就不能用变压器。这种情况就需要诸如LTC6406这种能进行单端至差分转换的低噪声放大器。

  该放大器之后必须跟随一个滤波器,以降低放大器的宽带噪声,并隔离放大器输出与ADC输入,ADC输入产生与采样电容换向有关的共模干扰。滤波器有助于衰减这类干扰,从而保护了放大器。高阶滤波器并不需要,因为放大器的噪声相当低。转角频率为12MHz的滤波器用在这里就足够了,它不会降低ADC的性能。

  最终的滤波器应该设计仅为降低放大器的宽带噪声,而不是作为具陡峭过渡频带的选择性过滤器。滤波器的陡峭过渡频带会增加插入损耗,并减低放大器OIP3,这会导致传感器信号失真。图1所示电路达到了这个目标。

 

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