精密數據采集（DAQ）系統在工業應用中很受歡迎。在某些DAQ應用中，需要低功耗和超低噪聲。一個例子是地震傳感器相關應用，其中可以從地震數據中提取大量信息，這些信息可用于廣泛的應用，如結構健康監測、地球物理研究、石油勘探，甚至工業和家庭安全（參考文獻1）。

DAQ 信號鏈 要求

地震檢波器是將地面振動信號轉換為電信號的機電轉換設備。它們適用于高分辨率地震勘探。它們沿著陣列植入地面，以測量地震波從不連續表面（如墊層平面）反射時的返回時間，如圖1所示。

圖1.地震源和檢波器陣列。

為了捕獲來自檢波器的小輸出信號，必須構建高靈敏度DAQ信號鏈進行數據分析。總均方根噪聲應為= 1.0 μV rms，平坦低通帶寬范圍有限，為300 Hz至~400 Hz，而信號鏈的THD應達到–120 dB左右。由于地震儀器由電池供電，因此功耗應平衡在30 mW左右。

本文介紹兩種信號鏈解決方案，以實現以下目標要求：

PGIA增益： 1， 2， 4， 8， 16

集成可編程寬帶濾波器的ADC

增益 = 1 時的 RTI 噪聲（300 Hz 至 ~400 Hz，帶寬為 –3 dB），均方根為 1.0 μV rms

總諧波誤差：增益 = 1 時為 –120 dB

增益 = 1 時的 CMRR，>100 dB

功耗（PGIA 加 ADC）：33 mW

用于自檢的輔助通道

地震信號鏈 – 示例 1

沒有一款精密ADC具有所有這些特性，可以實現如此低的噪聲和THD，也沒有一款PGIA可以提供如此低的噪聲和低功耗。開發人員面臨的挑戰是確定使用不同組件構建滿足目標要求的信號鏈之間的權衡。

對于地震信號鏈，需要低噪聲、低失真和低功耗的PGIA。超低噪聲ADA4084-2或零漂移放大器ADA4522-2非常適合這種配置。或者，24位Σ-Δ型ADCAD7768-1或32位SAR ADCLTC2500-32適用于非常高的精度，并為不同的DAQ應用提供可配置的ODR和集成的扁平低通FIR濾波器。

整個地震信號鏈如圖2所示。在本例中，ADA4084-2、ADG658和0.1%電阻可以構建低噪聲、低THD PGIA，支持多達8種不同的可選增益選項。AD7768-1是一款單通道低功耗、–120 dB THD平臺。它具有一個低紋波可編程 FIR、DC 至 110.8 kHz 數字濾波器，并使用LT6657作為其基準器件。

圖2.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1以及MCU濾波信號鏈解決方案。

AD7768-1在低功耗模式下以1 kSPS的ODR運行時可獲得1.76 μV rms噪聲，功耗為10 mW。為了實現最終的1.0 μV rms噪聲，它可以在更高的ODR下運行，例如中值模式下為16 kSPS。當AD7768-1以較高的調制器頻率運行時，其本底噪聲較低，如圖3所示，功耗較高。可以在MCU軟件中實現平坦的低通FIR濾波器算法，以消除更高帶寬的噪聲，并將最終ODR抽取至1 kSPS。最終均方根噪聲約為3.55 μV的四分之一，即0.9 μV。

圖3.通過MCU后置濾波平衡AD7768-1的目標噪聲ODR。

例如，可以如圖4所示制作MCU軟件FIR濾波器，以平衡性能和群延遲。

地震信號鏈 – 示例 2

LTC?2500-32是一款低噪聲、低功率、高性能 32 位 SAR ADC，具有一個集成的可配置數字濾波器。它具有 32 位數字濾波低噪聲和低 INL 輸出，適用于地震學和能源勘探。

應緩沖高阻抗源，以最大限度地縮短采集期間的建立時間，并優化開關電容輸入SAR ADC線性度。為獲得最佳性能，應使用一個緩沖放大器來驅動 LTC2500-32 的模擬輸入。必須設計一個分立式 PGIA 電路來驅動 LTC2500-32 以實現低噪聲和低 THD，這在 PGIA 部分進行了介紹。

PGIA實施

PGIA電路的主要規格包括：

電源：最小 5 V

由于AD7768-1的功耗為19.7 mW，因此PGIA電路應為<13.3 mW，以滿足33 mW功耗目標

噪聲：增益 = 1 時的噪聲為 0.178 μV rms，約為 AD7768-1 1.78 μV rms 時的 1/10

有三種類型的 PGIA 拓撲：

綜合PGIA項目

帶有集成儀表放大器的分立式PGIA

帶運算放大器的分立式PGIA

表1列出了ADI的數字PGIA。LTC6915具有最低的 IQ。噪聲密度為50 nV/√Hz時，430 Hz帶寬內的積分噪聲為1.036 μV rms，超過了0.178 μV rms的目標。因此，集成的PGIA不是一個好的選擇。

表2列出了幾種儀表放大器，包括300 μA IQAD8422。430 Hz帶寬內的積分噪聲為1.645 μV rms，因此也不是一個好的選擇。

圖4.MCU后FIR濾波器級。

圖5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信號鏈解決方案。

圖6.LTC2500-32 針對不同降采樣因子的平坦通帶濾波器噪聲。

表 1.數字PGIA課程

表 2.儀表放大器

表 3.低噪聲、低功耗運算放大器

噪聲模擬

LTspice可用于仿真分立PGIA的噪聲性能。積分噪聲帶寬為430 Hz。 表4顯示了兩種不同PGIA和AD7768-1的噪聲仿真結果。ADA4084解決方案具有更好的噪聲性能，尤其是在高增益下。

圖7.離散PGIA的框圖。

通過運算放大器實現分立式PGIA

文章“可編程增益儀表放大器：找到適合您的放大器”討論了各種集成PGIA，并為在嘗試滿足特定要求時構建分立PGIA提供了良好的指南（參考文獻2）。圖7顯示了分立PGIA電路的框圖。

ADG659/ADG658可以選擇低電容和5 V電源。

對于運算放大器，IQ（每通道<1 mA）和噪聲（<6 nV/√Hz電壓噪聲密度）是關鍵規格。精密運算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是不錯的選擇，其特性如表3所示。

對于增益電阻，選擇1.2 kΩ/300 Ω/75 Ω/25 Ω電阻以實現1/4/16/64增益。電阻越大，噪聲可能會增加，電阻越小，需要的功耗就越大。如果需要其他增益配置，則必須仔細選擇電阻以確保增益精度。

差分輸入ADC扮演減法器的角色。ADC的CMRR為>100 dB，可以滿足系統要求。

表 4.噪聲模擬結果

用于驅動 LTC2500-32 的環內補償電路

AD7768-1集成預充電放大器，可降低驅動要求。對于 SAR ADC，例如 LTC2500-32，通常建議使用高速放大器作為驅動器。在 此 DAQ 應用 中， 帶 寬 要求 較低。為了驅動LTC2500-32，建議使用一個使用精密放大器（ADA4084-2）的環內補償電路。圖 8 示出了用于驅動 LTC2500-32 的環內補償 PGIA。PGIA具有以下特點：

R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3是提高環內補償電路穩定性的關鍵元件。

ADG659時，A1/A0 = 00，增益 = 1，上部放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R30 ? S1A ? DA ? R6 ? 放大器輸入。

ADG659時，A1/A0 = 11，增益 = 64，上部放大器的反饋路徑為放大器輸出 ? R22 ? R8 ? R10 ? R12 ? S4A ? DA ? R6 ? 放大器 —IN。

PGIA 連接至 LTC2500-32EVB 以驗證性能。嘗試不同的無源元件（R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3）值，以在不同增益（1/4/16/64）下達到更好的THD和噪聲性能。最終分量值為：R22/R27 = 100 Ω、C14/C6 = 1 nF、R30/R31 = 1.2 kΩ、C3/C5 = 0.22 μF。增益 = 低于 PGIA 1 時測得的 3 dB 帶寬約為 16 kHz。

圖8.用于驅動 LTC2500-32 的 PGIA。

工作臺評估設置

為了測試噪聲、THD和CMRR性能，我們制作了分立式ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板作為整體解決方案。該解決方案與EVAL-AD7768-1評估板兼容，因此可以與控制板SDP-H1連接。因此，EVAL-AD7768FMCZ軟件GUI可用于收集和分析數據。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設計為替代整體解決方案。該板與 SDP-H1 控制器板接口，該板由 LTC2500-32FMCZ 軟件 GUI 控制。

在這兩款電路板中，PGIA的增益設計為1/2/4/8/16，與圖8所示不同。表 5 顯示了這兩款電路板的評估結果。

圖9.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1評估板解決方案。

表 5.信號鏈解決方案測試結果

圖 10.ADA4084-2 PGIA 和 LTC2500-32 板 FFT，增益為 1。

結論

為了 為 地震 和 能源 勘探 設計 超 低 噪聲 和 低功耗 DAQ 解決 方案， 可以 設計 一個 分立 PGIA， 帶 低 噪聲 和 THD 精密 放大器 來 驅動 高分辨率 精密 ADC。該解決方案可靈活地平衡噪聲、THD 和 ODR 與其功耗要求。

LTC2500-32 的低噪聲性能以及 ADA4084-2 和 LTC2500-32 的優勢在于，無需 MCU 的進一步濾波處理即可獲得最佳噪聲性能。

ADA4522-2和ADA4084-2在PGIA增益= 1時均具有良好的噪聲性能。噪聲性能約為0.8 μV rms。

ADA4084-2在高增益下具有更好的噪聲性能。增益 = 16 時，ADA4084-2 和 LTC2500-32 的噪聲為 0.19 μV rms，優于 ADA4522-2 的 0.25 μV rms。

對于AD7768-1，采用MCU濾波時，ADA4084-2和AD7768-1解決方案的噪聲性能與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似。

本文給出了一種數據采集解決方案，該解決方案要求在有限帶寬下同時實現低噪聲和低功耗。還有其他DAQ應用需要不同的性能。如果低功耗不是必須的，那么可以使用以下運算放大器來構建PGIA：

最低噪聲：LT1124 和 LT1128 可被認為具有最佳噪聲

最低漂移：ADA4523是一款新型零漂移放大器，具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的噪聲規格。

最低偏置電流：如果傳感器的輸出電阻較高，建議使用ADA4625-1。

更高的帶寬：ADA4807、LTC6226 和 LTC6228 是在高帶寬 DAQ 應用中構建高帶寬、低噪聲 PGIA 的良好解決方案。

在噪聲和功耗并不重要，但需要小PCB面積和高完整性的DAQ應用中，ADI公司的新型集成PGIAADA4254和LTC6373也是不錯的選擇。ADA4254是一款零漂移、高電壓、1/16至~176增益魯棒PGIA，LTC6373是一款25 pA IBIAS、36 V、0.25至~16增益、低THD PGIA。

表 6.精密運算放大器選型表

審核編輯：郭婷