低雜訊、低功耗DAQ探勘地震和能源應用
作者 : Steven Xie 和 David Guo，ADI產品應用工程師
針對地震學和能源探勘應用，當要設計非常低雜訊和低功耗的DAQ解決方案時，可以運用低雜訊、低THD的精密放大器設計獨立PGIA，以驅動高解析度精密ADC...
精密的資料擷取(DAQ)系統在工業應用中深受歡迎。許多DAQ應用中需要低功耗和超低雜訊，其中一個例子，是地震感測器相關應用，從地震資料中可以提取大量資訊，這些資訊可供廣泛應用，例如結構健康監測、地球物理研究、石油探勘甚至工業和家庭安全。
DAQ訊號鏈要求
地震檢波器是將地振動訊號轉換成電訊號的機電轉換裝置，適用於高解析度地震探勘。它們沿著陣列被植入地面，以用於測量地震波從非連續面(如層面)反射回來的時間，如圖1所示。
圖1：地震源和檢波器陣列。
要擷取地震檢波器的小輸出訊號，必須建構高靈敏度DAQ訊號鏈以進行資料分析。總均方根雜訊應為1.0μV rms，有限的平坦低通頻寬範圍為300Hz至400Hz左右，同時訊號鏈應實現大約-120dB的THD。由於地震儀器由電池供電，因此功耗應控制在約30mW。
本文介紹兩種訊號鏈解決方案，其達成的目標要求如下：
- PGIA增益：1、2、4、8、16
- 整合可編程寬頻濾波器的ADC
- 增益 = 1時(-3dB頻寬為300Hz至約400Hz)的RTI雜訊為1.0μV rms
- THD：-120dB(增益 = 1時)
- CMRR > 100dB(增益 = 1時)
- 功耗(PGIA加ADC)：33mW
- 第二通道用於自測
DAQ訊號鏈解決方案
沒有一款精密ADC具備所有這些特性並能實現如此低的雜訊和THD，也沒有一款PGIA能提供如此低的雜訊和功耗。為此，ADI提供卓越的精密放大器和精密ADC，可使用這些元件建構訊號鏈以達成目標。為了建構低雜訊、低失真和低功耗PGIA，可以採用超低雜訊 ADA4084-2 或零漂移放大器 ADA4522-2。
關於非常高精度的ADC，24位元Σ-Δ型ADC AD7768-1 或32位元SAR型ADC LTC2500-32 提供可配置的ODR，並整合平坦低通FIR濾波器，適合不同的DAQ應用。
地震訊號鏈解決方案
圖2顯示了整個訊號鏈。ADA4084-2、ADG658 和0.1%電阻可以建構低雜訊、低THD PGIA，提供最多八個不同的增益選項。AD7768-1是單通道、低功耗、-120dB THD平台。它具有低漣波可編程FIR、DC至110.8 kHz數位濾波器，使用 LT6657 作為基準電壓源。
圖2：ADA4084-2 PGIA和AD7768-1加MCU濾波訊號鏈解決方案。
AD7768-1以1kSPS的ODR運行時，均方根雜訊為1.76μV rms；在低功耗模式下，功耗為10mW。為了實現最終1.0μV rms雜訊，它可以更高的ODR運行，例如中速模式下的16kSPS。當AD7768-1以較高調變器頻率運行時，它具有較低的雜訊基準(如圖3所示)和較高的功耗。可以在MCU軟體中實現平坦低通FIR濾波器演算法，以消除較高頻寬雜訊，並將最終ODR降至1kSPS。最終均方根雜訊將是3.55μV的大約四分之一，即0.9μV。
圖3：利用MCU後置濾波平衡AD7768-1的ODR以達到目標雜訊性能。
MCU軟體FIR濾波器可以按圖4所示建構，以平衡性能和群延遲。
LTC2500-32則是一款整合可配置數位濾波器的低雜訊、低功耗、高性能32位元SAR ADC。32位元數位濾波的低雜訊和低INL輸出，使它特別適合地震學和能源探勘應用。
高阻抗源應加以緩衝以使採集期間的建立時間最短，並優化切換電容輸入SAR ADC線性度。為獲得優質性能，應使用緩衝放大器來驅動LTC2500-32的類比輸入。必須設計一個獨立PGIA電路來驅動LTC2500-32，以實現低雜訊和低THD (PGIA部分引入的)。
PGIA建置
PGIA電路的主要規格包括：
- 電源：5V(最小值)
- AD7768-1有19.7mW的功耗，因此PGIA電路的功耗應小於13.3mW，才能滿足33mW的功耗目標
- 雜訊：增益 = 1時的雜訊為0.178μV rms，約為AD7768-1 1.78μV rms的1/10
有三類PGIA拓撲結構：
- 整合PGIA
- 整合儀表放大器的獨立PGIA
- 具有運算放大器的獨立PGIA
例如，ADI LTC6915 的IQ最低，雜訊密度為50nV/√Hz，430Hz頻寬內的積分雜訊為1.036μV rms，超過0.178μV rms的目標值。因此，整合PGIA不是一個好的選擇。
300μA IQ的 AD8422儀表放大器在430Hz頻寬內的積分雜訊為1.645μV rms，因此也不是一個好的選擇。
圖4：MCU後置FIR濾波器級。
圖5：ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32訊號鏈解決方案。
圖6：不同降採樣係數下的LTC2500-32平坦通帶濾波器雜訊。
雜訊模擬
可以使用LTspice®來模擬獨立PGIA的雜訊性能。積分雜訊頻寬為430Hz。例如，ADA4084解決方案具有更好的雜訊性能，尤其是在高增益時。
圖7：獨立PGIA架構圖。
使用運算放大器建構獨立PGIA
「可編程增益儀表放大器：找到最適合您的放大器」一文討論了各種整合PGIA，並為建構滿足特定要求的獨立PGIA提供了很好的指導建議。圖7顯示了獨立PGIA電路的架構圖。可以選擇低電容和5 V電源的ADG659/ADG658。
對於運算放大器，IQ(每通道<1mA)和雜訊(電壓雜訊密度<6nV/√Hz)是關鍵規格。對於增益電阻，選擇1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω電阻以實現1/4/16/64增益。電阻越大，雜訊可能會增加，而電阻越小，需要的功耗越多。如果需要其他增益配置，必須仔細選擇電阻以確保增益精度。
差分輸入ADC產生減法器的作用。ADC的CMRR大於100dB，可滿足系統要求。
| ADA4084 PGIA and AD7768-1 | ADA4522 PGIA and AD7768-1 | |
| RTI Integrated Noise Within 430 Hz BW and Gain = 1 (µV rms) | 1.765 | 1.774 |
| RTI Integrated Noise Within 430 Hz BW and Gain = 4 (µV rms) | 0.744 | 0.767 |
| RTI Integrated Noise Within 430 Hz BW and Gain = 16 (µV rms) | 0.259 | 0.311 |
| RTI Integrated Noise Within 430 Hz BW and Gain = 64 (µV rms) | 0.148 | 0.225 |
表1：雜訊模擬結果。
在迴路補償電路驅動LTC2500-32
AD7768-1整合了預充電放大器，可減輕驅動要求。對於SAR ADC，例如LTC2500-32，一般建議使用高速放大器作為驅動器。在此DAQ應用中，頻寬要求很低。為了驅動LTC2500-32，建議使用一個由精密放大器(ADA4084-2)構成的在迴路補償電路。圖8顯示了用於驅動LTC2500-32的在迴路補償PGIA。該PGIA具有如下特性：
R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3關鍵元件，用以提高在迴路補償電路的穩定性。
使用ADG659，A1/A0 = 00，增益 = 1，上方放大器的回饋路徑為放大器輸出 ➞ R22 ➞ R30 ➞ S1A ➞ DA ➞ R6 ➞ AMP —IN。
使用ADG659，A1/A0 = 11，增益 = 64，上方放大器的回饋路徑為放大器輸出 ➞ R22 ➞ R8 ➞ R10 ➞ R12 ➞ S4A ➞ DA ➞ R6 ➞ AMP —IN。
PGIA連接到LTC2500-32EVB以驗證性能。試驗不同的被動元件(R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3)值，以在不同增益(1/4/16/64)下實現更好的THD和雜訊性能。最終元件值為：R22/R27 = 100Ω，C14/C6 = 1nF，R30/R31 = 1.2kΩ，C3/C5 = 0.22µF。PGIA以下的增益為1時的實測3dB頻寬約為16kHz。
圖8：PGIA驅動LTC2500-3。
試驗台評估設定
為了測試雜訊、THD和CMRR性能，將獨立ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板做成完整解決方案。該解決方案與EVAL-AD7768-1評估板相容，因而可以與控制板SDP-H1介面。因此，可以使用EVAL-AD7768FMCZ軟體GUI來收集和分析資料。
ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設計為備選的完整解決方案。電路板與SDP-H1控制板介面，並由LTC2500-32FMCZ軟體GUI控制。
兩個板的PGIA增益均被設計為1/2/4/8/16，這與圖8所示不同。表2顯示了這兩個板的評估結果。
圖9A：DA4084-2 PGIA和AD7768-1評估板解決方案。
| ADA4084-2 and AD7768-1 (Median Mode, FMOD = 4 MHz, ODR = 16 kSPS)+ | ADA4084-2 and AD7768-1 (Median Mode, FMOD = 4 MHz, ODR = 16 kSPS)+ MCU FIR and DEC to ODR = 16 k/16 = 1 kSPS | ADA4084-2 and LTC2500-32 ADC MCLK = 1 MHz | |
| RTI Noise at Gain = 1 (μV rms) | 3.718 | 0.868 | 0.82 |
| RTI Noise at Gain = 2 (μV rms) | 1.996 | 0.464 | 0.42 |
| RTI Noise at Gain = 4 (μV rms) | 1.217 | 0.286 | 0.3 |
| RTI Noise at Gain = 8 (μV rms) | 0.909 | 0.208 | 0.24 |
| RTI Noise at Gain = 16 (μV rms) | 0.808 | 0.186 | 0.19 |
| THD at Gain = 1 (dB) | −125 | −125 | −122 |
| THD at Gain = 2 (dB) | −125 | −125 | −119 |
| THD at Gain = 4 (dB) | −124 | −124 | −118 |
| THD at Gain = 8 (dB) | −120 | −120 | −117 |
| THD at Gain = 16 (dB) | −115 | −115 | −115 |
| CMRR at Gain = 1 (dB) | 131 | 131 | 114 |
| CMRR at Gain = 4 (dB) | 117 | 117 | 121 |
| CMRR at Gain = 16 (dB) | 120 | 120 | 126 |
| Pd Typical (mW) | 31.3 | 31.1 | 33.2 |
表2：訊號鏈解決方案測試結果。
圖10：增益為1時的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT。
結論
針對地震學和能源探勘應用，當要設計非常低雜訊和低功耗的DAQ解決方案時，可以運用低雜訊、低THD的精密放大器設計獨立PGIA，以驅動高解析度精密ADC。這種解決方案可根據功耗要求彈性平衡雜訊、THD和ODR。
- LTC2500-32的低雜訊性能加上ADA4084-2和LTC2500-32的優點，使得解決方案表現出優質雜訊性能，無需MCU進一步濾波處理。
- 在PGIA增益 = 1時，ADA4522-2和ADA4084-2都具備良好的雜訊性能。雜訊性能約為0.8µV rms。
- ADA4084-2在高增益時具有更好的雜訊性能。在增益 = 16時，ADA4084-2和LTC2500-32的雜訊為0.19μV rms，比ADA4522-2的0.25μV rms更好。
- 對於AD7768-1，借助MCU濾波，ADA4084-2和AD7768-1解決方案表現出與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似的雜訊性能。
本文提供的資料擷取解決方案要求低雜訊和低功耗，而頻寬有限。其他DAQ應用所具備的性能要求則會有差異。如果低功耗不是必需的選項，那麼建議可以使用以下的運算放大器來建構PGIA：
- 最低雜訊：可以考慮LT1124和LT1128以獲得優質雜訊性能。
- 最低漂移：新型零漂移放大器ADA4523具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的雜訊特性。
- 最低偏置電流：如果感測器的輸出電阻較高，建議使用ADA4625-1。
- 較高頻寬：當建構高頻寬DAQ應用中的高頻寬、低雜訊PGIA時，ADA4807、LTC6226和LTC6228是很好的解決方案。
在雜訊和功耗不重要，但要求較小PCB面積和高整合度的DAQ應用中，ADI的新型整合PGIA ADA4254和LTC6373也是很好的選擇。
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