著者：ADI David Guo、製品アプリケーションエンジニア、Steven Xie、製品アプリケーションエンジニア
精密データ取得（DAQ）システムは、産業用アプリケーションで非常に人気があります。 一部のDAQアプリケーションは、低消費電力と超低ノイズを必要とします。 一例は、地震センサーのアプリケーションです。 地震データから大量の情報を抽出することができます。 この情報は、構造ヘルスモニタリング、地球物理学研究、石油探査、さらには産業および家庭のセキュリティなど、幅広いアプリケーションで使用できます。
DAQシグナルチェーンの要件
受振器は、地面の振動信号を電気信号に変換する電気機械変換装置であり、高解像度の地震探査に適しています。 図1に示すように、これらはアレイに沿って地面に埋め込まれ、地震波が不連続な表面（平面など）で跳ね返るのにかかる時間を測定します。
図1震源と受振器アレイ
受振器の小さな出力信号をキャプチャするには、データ分析用に高感度のDAQ信号チェーンを構築する必要があります。 合計rmsノイズは1.0μVrmsであり、制限されたフラットローパス帯域幅の範囲は約300 Hz〜400 Hzであり、信号チェーンは約-120dBのTHDを達成する必要があります。 地震計は電池で駆動するため、消費電力は約30mWに抑える必要があります。
この記事では、XNUMXつのシグナルチェーンソリューションを紹介します。達成される目標と要件は次のとおりです。
· PGIAゲイン：1、2、4、8、16
· 統合されたプログラム可能なブロードバンドフィルターを備えたADC
· ゲイン= 1（-3dB帯域幅は300Hz〜約400 Hz）の場合、RTIノイズは1.0μVrmsです。
· THD：-120 dB（ゲイン= 1の場合）
· CMRR＞ 100 dB（ゲイン= 1の場合）
· 消費電力（PGIAとADC）：33 mW
· XNUMX番目のチャネルはセルフテストに使用されます
DAQシグナルチェーンソリューション
ADI Webサイトには、これらすべての機能を備え、このような低ノイズとTHDを実現できる高精度ADCはありません。また、このような低ノイズと低消費電力を提供できるPGIAはありません。 ただし、ADIは、目標を達成するための信号チェーンを構築するために使用できる優れた高精度アンプと高精度ADCを提供します。
低ノイズ、低歪み、低消費電力のPGIAを構築するには、超低ノイズADA4084-2またはゼロドリフトアンプADA4522-2が適しています。
非常に高精度のADCに関しては、24ビットΣ-ΔADCAD7768-1または32ビットSAR ADCLTC2500-32が最上位の選択肢です。 これらは構成可能なODRを提供し、さまざまなDAQアプリケーションに適したフラットローパスFIRフィルターを統合します。
地震信号チェーンソリューション：ADA4084-2PGIAおよびAD7768-1
図2は、シグナルチェーン全体を示しています。 ADA4084-2、ADG658および0.1％ 低ノイズ、低 THD PGIA を構築でき、最大 7768 つの異なるゲイン オプションを提供します。 AD1-120 は、単一チャンネル、低消費電力、-110 dB THD プラットフォームです。 低リップルのプログラマブルFIR、DC～8 kHzデジタル・フィルタを備え、LT6657をリファレンスとして使用します。 電圧 ソース。
図2.ADA4084-2PGIAおよびAD7768-1plusMCUフィルタリングされたシグナルチェーンソリューション
AD7768-1が1kSPSのODRで実行される場合、二乗平均平方根ノイズは1.76μVrmsです。 低消費電力モードでは、消費電力は10mWです。 最終的な1.0μVrmsノイズを達成するために、中速モードで16kSPSなどのより高いODRで動作できます。 AD7768-1がより高い変調器周波数で動作する場合、ノイズフロアが低くなり（図3を参照）、消費電力が高くなります。 フラットローパスFIRフィルターアルゴリズムをMCUソフトウェアに実装して、より高い帯域幅のノイズを排除し、最終的なODRを1kSPSに減らすことができます。 最終的な二乗平均平方根ノイズは、3.55μVまたは0.9μVの約XNUMX分のXNUMXになります。
画像3.MCUポストフィルターを使用してAD7768-1のODRのバランスを取り、目標のノイズ性能を達成します
例として、MCUソフトウェアのFIRフィルターを図4に示すように構成して、パフォーマンスと群遅延のバランスをとることができます。
地震信号チェーンソリューション：ADA4084-2PGIAおよびLTC2500-32
ADIのLTC2500-32は、構成可能なデジタルフィルタが統合された、低ノイズ、低電力、高性能の32ビットSARADCです。 32ビットデジタルフィルターの低ノイズと低INL出力により、地震学およびエネルギー探査アプリケーションに特に適しています。
高インピーダンスのソースはバッファリングして、収集中の整定時間を最小限に抑え、スイッチの直線性を最適化する必要があります。 コンデンサ 入力SAR ADC。最高の性能を得るには、LTC2500-32のアナログ入力を駆動するためにバッファ・アンプを使用する必要があります。ディスクリート PGIA を設計する必要がある回路LTC2500-32を駆動して、低ノイズと低THDを実現します（PGIA部分で導入）。
PGIAの実装
PGIAの主な仕様 回路 次のとおりです。
· 電源：5 V（最小）
· AD7768-1 の消費電力は 19.7 mW なので、PGIA の消費電力は 回路 13 mW の消費電力目標を達成するには、3 mW 未満にする必要があります。
· ノイズ：ゲイン= 1の場合、ノイズは0μVrmsであり、AD178-1の約10/7768です。 1μVrms
PGIAトポロジには次のXNUMXつのタイプがあります。
· 統合PGIA
· 計装アンプを内蔵したディスクリートPGIA
· オペアンプを備えたディスクリートPGIA
表1に、ADIのデジタルPGIAを示します。 LTC6915のIQは最低です。 ノイズ密度は50nV /√Hzであり、430Hz帯域幅の積分ノイズは1.036μVrmsであり、目標値の0.178μVrmsを超えています。 したがって、PGIAを統合することは良い選択ではありません。
表2に、8422μAIQのAD300を含むいくつかの計装アンプを示します。 430Hz帯域幅での積分ノイズは1.645μVrmsであるため、これも適切な選択ではありません。
図4.MCUポストFIRフィルターステージ
図5.ADA4084-2PGIAおよびLTC2500-32シグナルチェーンソリューション
画像6.LTC2500－32異なるダウンサンプリング係数でのフラットパスバンドフィルターノイズ
表1.デジタルPGIA
表2計装アンプ
表3.低ノイズ、低電力オペアンプ
図7ディスクリートPGIAブロック図
オペアンプを使用してディスクリートPGIAを構築する
記事「プログラマブル ゲイン計装アンプ: 最適なアンプの検索」では、さまざまな統合 PGIA について説明し、特定の要件を満たすディスクリート PGIA を構築するための優れたガイドラインを提供しています2。 図 7 にディスクリート PGIA のブロック図を示します。 回路.
低容量で659V電源のADG658 / ADG5を選択できます。
オペアンプの場合、IQ(電圧密度)
ゲイン抵抗については、1.2kΩ/300Ω/75Ω/25Ωの抵抗を選択して1/4/16/64ゲインを実現します。 抵抗が大きいほどノイズが大きくなる可能性があり、抵抗が小さいほど消費電力が大きくなります。 他のゲイン構成が必要な場合は、ゲインの精度を確保するために抵抗を慎重に選択する必要があります。
差動入力ADCは減算器として機能します。 ADCのCMRRは100dBを超えており、システム要件を満たすことができます。
ノイズシミュレーション
LTspiceを使用できますか？ ディスクリートPGIAのノイズ性能をシミュレートします。 統合されたノイズ帯域幅は430Hzです。 表4に、7768つの異なるPGIAとAD1-4084のノイズシミュレーション結果を示します。 ADAXNUMXソリューションは、特に高ゲインで、より優れたノイズ性能を備えています。
表4ノイズシミュレーション結果
ループ内補償 回路 ドライブ LTC2500－32
AD7768-1 にはプリチャージ・アンプが組み込まれており、駆動要件を軽減します。 LTC2500-32などのSAR ADCの場合、一般に高速アンプをドライバとして使用することが推奨されます。 この DAQ アプリケーションでは、帯域幅要件は非常に低くなります。 LTC2500-32を駆動するには、ループ内補償を使用することをお勧めします。 回路 高精度アンプ（ADA4084-2）で構成されています。 図8は、LTC2500-32の駆動に使用されるループ内補償PGIAを示しています。 PGIA には次の特徴があります。
· R22/C14/R30/C5 および R27/C6/R31/C3 の主要コンポーネントは、補償の安定性を向上させるために使用されます。 回路 ループの中。
· ADG659、A1 / A0 = 00、ゲイン= 1を使用すると、上位アンプのフィードバックパスはアンプ出力ですか？ R22？ R30？ S1A？ DA？ R6？ AMP —IN。
· ADG659、A1 / A0 = 11、ゲイン= 64を使用すると、上位アンプのフィードバックパスはアンプ出力ですか？ R22？ R8？ R10？ R12？ S4A？ DA？ R6？ AMP —IN。
PGIAはLTC2500-32EVBに接続され、パフォーマンスを検証します。 さまざまな受動部品（R22 / C14 / R30 / C5およびR27 / C6 / R31 / C3）の値を試して、さまざまなゲイン（1/4/16/64）でより優れたTHDおよびノイズ性能を実現します。 最終的なコンポーネント値は次のとおりです：R22 / R27 =100Ω、C14 / C6 = 1 nF、R30 / R31 =1.2kΩ、C3 / C5 = 0.22？F。 PGIA未満のゲインが1の場合、測定された3dB帯域幅は約16kHzです。
図8.PGIAドライブLTC2500－32
テストベンチの評価設定
ノイズ、THD、およびCMRRのパフォーマンスをテストするために、個別のADA4084-2PGIAおよびAD7768-1ボードが完全なソリューションになります。 このソリューションは、EVAL-AD7768-1評価ボードと互換性があるため、制御ボードSDP-H1とインターフェイスできます。 したがって、EVAL-AD7768FMCZソフトウェアGUIを使用して、データを収集および分析できます。
ADA4084-2 PGIAおよびLTC2500-32ボードは、代替の完全なソリューションとして設計されています。回路 ボードSDP-H1制御ボードとのインターフェースで、LTC2500-32FMCZソフトウェアGUIによって制御されます。
1つのボードのPGIAゲインは2/4/8/16/8になるように設計されており、図5に示されているものとは異なります。表XNUMXに、これらXNUMXつのボードの評価結果を示します。
図9.ADA4084-2PGIAおよびAD7768-1評価ボードソリューション
表5.シグナルチェーンソリューションのテスト結果
図10.ゲインが4084の場合のADA2-2500PGIAおよびLTC32-1ボードのFFT
結論として
地震学およびエネルギー探査アプリケーションの場合、非常に低ノイズで低電力のDAQソリューションを設計するために、低ノイズ、低THDの高精度増幅器を使用してディスクリートPGIAを設計し、高解像度の高精度ADCを駆動できます。 このソリューションは、電力要件に応じて、ノイズ、THD、およびODRのバランスを柔軟にとることができます。
· LTC2500-32の低ノイズ性能とADA4084-2およびLTC2500-32の利点を組み合わせることで、MCUによる追加のフィルタリングを必要とせずに、ソリューションが最高のノイズ性能を発揮します。
· PGIAゲイン= 1の場合、ADA4522-2およびADA4084-2のノイズ性能は良好です。 ノイズ性能は約0.8？Vrmsです。
· ADA4084-2は、高ゲインでより優れたノイズ性能を備えています。 ゲイン= 16の場合、ADA4084-2およびLTC2500-32のノイズは0.19μVrmsであり、ADA4522-2の0.25μVrmsよりも優れています。
· AD7768-1の場合、MCUフィルタリングを使用すると、ADA4084-2およびAD7768-1ソリューションは、ADA4084-2およびLTC2500-32ソリューションと同様のノイズ性能を示します。
この記事で紹介するデータ取得ソリューションは、低ノイズと低消費電力を必要としますが、帯域幅は制限されています。 他のDAQアプリケーションには異なるパフォーマンス要件があります。 低消費電力が必要ない場合は、次のオペアンプを使用してPGIAを構築できます。
· 最小のノイズ：LT1124およびLT1128は、最高のノイズ性能を得ると見なすことができます。
· 最小ドリフト：新しいゼロドリフトアンプADA4523は、ADA4522-2およびLTC2500-32よりも優れたノイズ特性を備えています。
· 最小バイアス電流：センサーの出力抵抗が高い場合は、ADA4625-1の使用をお勧めします。
· より高い帯域幅：ADA4807、LTC6226、およびLTC6228は、高帯域幅のDAQアプリケーションで高帯域幅、低ノイズのPGIAを構築する場合に適したソリューションです。
ノイズや消費電力は重要ではないが、より小さい PCB 面積と高い集積度が必要な DAQ アプリケーションでは、ADI の新しい統合型 PGIA ADA4254 および LTC6373 も良い選択肢となります。 ADA4254 は、ゼロドリフト、高ドリフト電圧、ゲインが1/16～～176の堅牢なPGIAであるのに対し、LTC6373は25pA IBIAS、36V、ゲイン0.25～～16、低THD PGIAです。
表6.高精度オペアンプの選択表
参照
1ジオフォン。 ScienceDirect。
2ジェシー・サントス、アンジェロ・ニッコー・カタパン、エルベ・D・レイタ。 「地震信号検出ネットワークの基本を理解する」。 Analog Dialogue、第53巻、第4号、2019年XNUMX月。
3クリスティーナフォルトゥナード。 「プログラマブルゲイン計装アンプ：あなたに最適なアンプを見つけてください。」 Analog Dialogue、第52巻、第4号、2018年XNUMX月。
著者について
David Guo は、アナログ・デバイセズのリニア製品部門の製品アプリケーション エンジニアです。 2007 年にアプリケーション エンジニアとして ADI の中国アプリケーション センターに入社し、2011 年 2013 月にアプリケーション エンジニアとして高精度アンプ部門に異動しました。XNUMX 年 XNUMX 月からは、アナログ デバイセズのリニア製品部門でアプリケーション エンジニアを務めています。 高精度アンプ、計装アンプ、高速アンプ、電流センスアンプ、乗算器、基準電圧源、RMS-DC 製品の技術サポートを担当しています。 David は、北京大学で機械および電気工学の学士号と修士号を取得しています。 テクノロジー。 連絡先: デビッド。 ぐお＠アナログ。 コム。
Steven Xieは、2011年2007月にADIチャイナデザインセンターの製品アプリケーションエンジニアとしてADI北京支店に加わりました。 彼は、中国市場におけるSARADC製品の技術サポートを担当しています。 それ以前は、無線通信基地局の分野でハードウェア設計者としてXNUMX年間働いていました。 XNUMX年、スティーブンは北京航空宇宙工学大学を卒業し、通信および情報システムの修士号を取得しました。