저자: ADI David Guo, 제품 애플리케이션 엔지니어, Steven Xie, 제품 애플리케이션 엔지니어
정밀 데이터 수집(DAQ) 시스템은 산업용 애플리케이션에서 매우 인기가 있습니다. 일부 DAQ 어플리케이션은 저전력 소모와 초저잡음이 필요합니다. 지진 센서의 적용이 그 예입니다. 지진 데이터에서 많은 양의 정보를 추출할 수 있습니다. 이 정보는 구조적 상태 모니터링, 지구 물리학 연구, 석유 탐사, 산업 및 가정 보안과 같은 광범위한 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.
DAQ 신호 체인 요구 사항
지오폰은 지상 진동 신호를 전기 신호로 변환하는 전자기계 변환 장치로 고해상도 지진 탐사에 적합합니다. 그들은 그림 1과 같이 지진파가 불연속 표면(예: 평면)에서 튀어나오는 데 걸리는 시간을 측정하기 위해 어레이를 따라 지면에 이식됩니다.
그림 1. 지진원과 지리폰 배열
지오폰의 작은 출력 신호를 캡처하려면 데이터 분석을 위해 고감도 DAQ 신호 체인을 구성해야 합니다. 총 rms 잡음은 1.0μV rms여야 하고 제한된 평평한 저역 통과 대역폭 범위는 약 300Hz ~ 400Hz이며 신호 체인은 약 -120dB의 THD를 달성해야 합니다. 지진계측기는 배터리로 구동되기 때문에 소비전력은 약 30mW로 조절되어야 한다.
이 기사에서는 두 가지 신호 체인 솔루션을 소개하며 달성한 목표와 요구 사항은 다음과 같습니다.
· PGIA 이득: 1, 2, 4, 8, 16
· 프로그래밍 가능한 광대역 필터가 통합된 ADC
· 이득 = 1(-3dB 대역폭이 300Hz ~ 약 400Hz임)일 때 RTI 잡음은 1.0μV rms입니다.
· THD: -120dB(게인 = 1일 때)
· CMRR > 100dB(게인 = 1일 때)
· 전력 소비(PGIA + ADC): 33mW
· 두 번째 채널은 자체 테스트에 사용됩니다.
DAQ 신호 체인 솔루션
ADI 웹사이트에는 이러한 모든 기능을 갖추고 있고 저잡음 및 THD를 달성할 수 있는 정밀 ADC가 없으며, 그 어떤 PGIA도 이러한 저잡음 및 전력 소비를 제공할 수 없습니다. 그러나 ADI는 목표를 달성하기 위해 신호 체인을 구축하는 데 사용할 수 있는 우수한 정밀 증폭기와 정밀 ADC를 제공합니다.
저잡음, 저왜곡 및 저전력 소비 PGIA를 구축하려면 초저잡음 ADA4084-2 또는 제로 드리프트 증폭기 ADA4522-2가 좋은 선택입니다.
초고정밀 ADC의 경우 24비트 Σ-Δ ADC AD7768-1 또는 32비트 SAR ADC LTC2500-32가 최고의 선택입니다. 구성 가능한 ODR을 제공하고 다양한 DAQ 애플리케이션에 적합한 평면 저역 통과 FIR 필터를 통합합니다.
지진 신호 체인 솔루션: ADA4084-2 PGIA 및 AD7768-1
그림 2는 전체 신호 체인을 보여줍니다. ADA4084-2, ADG658 및 0.1%저항저잡음, 저 THD PGIA를 구성하여 최대 7768가지 이득 옵션을 제공할 수 있습니다. AD1-120은 단일 채널, 저전력 소모, -110dB THD 플랫폼입니다. 저리플 프로그래밍 가능 FIR, DC ~ 8kHz 디지털 필터가 있으며 LT6657을 기준으로 사용합니다. 전압 출처.
그림 2. ADA4084-2 PGIA 및 AD7768-1 플러스MCU필터링된 신호 체인 솔루션
AD7768-1이 1kSPS의 ODR로 실행될 때 제곱 평균 제곱근 잡음은 1.76μV rms입니다. 저전력 소비 모드에서 소비 전력은 10mW입니다. 최종 1.0μV rms 잡음을 달성하기 위해 중속 모드에서 16kSPS와 같은 더 높은 ODR에서 작동할 수 있습니다. AD7768-1이 더 높은 변조기 주파수에서 실행되면 노이즈 플로어(그림 3 참조)가 더 낮아지고 전력 소비가 더 높아집니다. 플랫 저역 통과 FIR 필터 알고리즘은 MCU 소프트웨어에서 구현하여 더 높은 대역폭 잡음을 제거하고 최종 ODR을 1kSPS로 줄일 수 있습니다. 최종 제곱 평균 제곱근 잡음은 약 3.55μV 또는 0.9μV의 XNUMX/XNUMX이 됩니다.
이미지 3. MCU 포스트 필터를 사용하여 AD7768-1의 ODR 균형을 조정하여 목표 노이즈 성능 달성
예를 들어, MCU 소프트웨어 FIR 필터는 성능과 그룹 지연의 균형을 맞추기 위해 그림 4와 같이 구성할 수 있습니다.
지진 신호 체인 솔루션: ADA4084-2 PGIA 및 LTC2500-32
ADI의 LTC2500-32는 구성 가능한 디지털 필터가 통합된 저잡음, 저전력, 고성능 32비트 SAR ADC입니다. 32비트 디지털 필터의 저잡음 및 낮은 INL 출력은 특히 지진학 및 에너지 탐사 응용 분야에 적합합니다.
획득 중 정착 시간을 최소화하고 전환된 신호의 선형성을 최적화하려면 고임피던스 소스를 버퍼링해야 합니다. 콘덴서 SAR ADC를 입력합니다. 최고의 성능을 얻으려면 버퍼 증폭기를 사용하여 LTC2500-32의 아날로그 입력을 구동해야 합니다. 개별 PGIA를 설계해야 합니다.회로LTC2500-32를 구동하여 저잡음 및 낮은 THD를 달성합니다(PGIA 부분에 도입됨).
PGIA 구현
PGIA의 주요 사양 회로 과 같습니다 :
· 전원 공급 장치: 5V(최소)
· AD7768-1의 소비 전력은 19.7mW이므로 PGIA의 소비 전력은 회로 13mW의 전력 소비 목표를 충족하려면 3mW 미만이어야 합니다.
· 노이즈: 이득 = 1일 때 노이즈는 0μV rms로 AD178-1의 약 10/7768입니다. 1μV 실효값
PGIA 토폴로지에는 세 가지 유형이 있습니다.
· 통합 PGIA
· 계측 증폭기가 통합된 이산 PGIA
· 연산 증폭기가 있는 이산 PGIA
표 1에는 ADI의 디지털 PGIA가 나열되어 있습니다. LTC6915는 IQ가 가장 낮습니다. 잡음 밀도는 50nV/√Hz이고 430Hz 대역폭에서 통합 잡음은 1.036μV rms로 목표값인 0.178μV rms를 초과합니다. 따라서 PGIA 통합은 좋은 선택이 아닙니다.
표 2는 8422μA IQ의 AD300를 포함한 여러 계측 증폭기를 나열합니다. 430Hz 대역폭의 통합 잡음은 1.645μV rms이므로 좋은 선택도 아닙니다.
그림 4. MCU 포스트 FIR 필터 단계
그림 5. ADA4084-2 PGIA 및 LTC2500-32 신호 체인 솔루션
이미지 6.LTC2500-32 다른 다운샘플링 계수에서 플랫 통과대역 필터 노이즈
표 1. 디지털 PGIA
표 2.계측 증폭기
표 3. 저잡음, 저전력 연산 증폭기
그림 7. 이산 PGIA 블록 다이어그램
연산 증폭기를 사용하여 개별 PGIA 구축
"프로그래밍 가능 이득 계측 증폭기: 최적의 증폭기 찾기" 기사에서는 다양한 통합 PGIA에 대해 설명하고 특정 요구 사항을 충족하는 개별 PGIA 구축을 위한 유용한 지침을 제공합니다2. 그림 7은 개별 PGIA의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 회로.
낮은 정전 용량과 659V 전원 공급 장치가 있는 ADG658/ADG5을 선택할 수 있습니다.
연산 증폭기의 경우 IQ(전압 밀도
이득 저항은 1.2kΩ/300Ω/75Ω/25Ω 저항을 선택하여 1/4/16/64 이득을 실현합니다. 저항이 클수록 노이즈가 증가할 수 있고 저항이 작을수록 더 많은 소비 전력이 필요합니다. 다른 이득 구성이 필요한 경우 이득 정확도를 보장하기 위해 저항을 신중하게 선택해야 합니다.
차동 입력 ADC는 감산기 역할을 합니다. ADC의 CMRR은 100dB보다 커서 시스템 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
소음 시뮬레이션
LTspice를 사용할 수 있습니까? 개별 PGIA의 노이즈 성능을 시뮬레이션합니다. 통합 잡음 대역폭은 430Hz입니다. 표 4는 서로 다른 두 PGIA 및 AD7768-1의 잡음 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. ADA4084 솔루션은 특히 높은 이득에서 더 나은 잡음 성능을 제공합니다.
표 4. 노이즈 시뮬레이션 결과
인루프 보상 회로 드라이브 LTC2500-32
AD7768-1은 사전 충전 증폭기를 통합하여 드라이브 요구 사항을 줄입니다. LTC2500-32와 같은 SAR ADC의 경우 일반적으로 고속 증폭기를 드라이버로 사용하는 것이 좋습니다. 이 DAQ 어플리케이션에서 대역폭 요구 사항은 매우 낮습니다. LTC2500-32를 구동하려면 인루프 보상을 사용하는 것이 좋습니다. 회로 정밀증폭기(ADA4084-2)로 구성되어 있습니다. 그림 8은 LTC2500-32를 구동하는 데 사용되는 인루프 보정 PGIA를 보여줍니다. PGIA에는 다음과 같은 특징이 있습니다.
· R22/C14/R30/C5 및 R27/C6/R31/C3의 핵심 구성 요소는 보상의 안정성을 향상시키는 데 사용됩니다. 회로 루프에서.
· ADG659를 사용하여 A1/A0 = 00, 이득 = 1, 상위 증폭기의 피드백 경로는 증폭기 출력입니까? R22? R30? S1A? 다? R6? 앰프 — IN.
· ADG659, A1/A0 = 11, 이득 = 64를 사용하면 상위 증폭기의 피드백 경로는 증폭기 출력입니까? R22? R8? R10? R12? S4A? 다? R6? 앰프 — IN.
PGIA를 LTC2500-32EVB에 연결하여 성능을 확인합니다. 다양한 수동 구성 요소(R22/C14/R30/C5 및 R27/C6/R31/C3) 값으로 실험하여 다양한 게인(1/4/16/64)에서 더 나은 THD 및 노이즈 성능을 달성합니다. 최종 구성 요소 값은 R22/R27 = 100Ω, C14/C6 = 1nF, R30/R31 = 1.2kΩ, C3/C5 = 0.22ΩF입니다. PGIA 이하 게인이 1일 때 측정된 3dB 대역폭은 약 16kHz입니다.
그림 8. PGIA 드라이브 LTC2500-32
테스트 벤치 평가 설정
노이즈, THD 및 CMRR의 성능을 테스트하기 위해 별도의 ADA4084-2 PGIA 및 AD7768-1 보드를 완전한 솔루션으로 만듭니다. 이 솔루션은 EVAL-AD7768-1 평가 보드와 호환되므로 제어 보드 SDP-H1과 인터페이스할 수 있습니다. 따라서 EVAL-AD7768FMCZ 소프트웨어 GUI를 사용하여 데이터를 수집하고 분석할 수 있습니다.
ADA4084-2 PGIA 및 LTC2500-32 보드는 대체 솔루션으로 설계되었습니다.회로 판SDP-H1 제어 보드와 인터페이스하고 LTC2500-32FMCZ 소프트웨어 GUI로 제어합니다.
두 기판의 PGIA 이득은 그림 1과 다른 2/4/8/16/8으로 설계되었다. 표 5는 이 두 기판의 평가 결과를 보여준다.
그림 9. ADA4084-2 PGIA 및 AD7768-1 평가 보드 솔루션
표 5. 신호 체인 솔루션 테스트 결과
그림 10. 이득이 4084일 때 ADA2-2500 PGIA 및 LTC32-1 보드의 FFT
결론적으로
지진학 및 에너지 탐사 애플리케이션의 경우 매우 낮은 노이즈 및 저전력 DAQ 솔루션을 설계하기 위해 개별 PGIA를 저잡음, 낮은 THD 정밀 증폭기로 설계하여 고해상도 정밀 ADC를 구동할 수 있습니다. 이 솔루션은 전력 요구 사항에 따라 잡음, THD 및 ODR의 균형을 유연하게 조정할 수 있습니다.
· LTC2500-32의 저잡음 성능과 ADA4084-2 및 LTC2500-32의 장점이 결합되어 이 솔루션은 MCU에 의한 추가 필터링 없이도 최고의 잡음 성능을 나타낼 수 있습니다.
· PGIA 게인 = 1일 때 ADA4522-2와 ADA4084-2는 노이즈 성능이 좋습니다. 노이즈 성능은 약 0.8Ω rms입니다.
· ADA4084-2는 높은 이득에서 더 나은 노이즈 성능을 제공합니다. 이득 = 16일 때 ADA4084-2 및 LTC2500-32의 잡음은 0.19μV rms로 ADA4522-2의 0.25μV rms보다 우수합니다.
· AD7768-1의 경우 MCU 필터링의 도움으로 ADA4084-2 및 AD7768-1 솔루션은 ADA4084-2 및 LTC2500-32 솔루션과 유사한 잡음 성능을 보여줍니다.
이 기사에서 소개하는 데이터 수집 솔루션은 저잡음과 저전력 소모를 요구하지만 대역폭이 제한적입니다. 다른 DAQ 어플리케이션은 성능 요구 사항이 다릅니다. 저전력 소비가 필요하지 않은 경우 다음 연산 증폭기를 사용하여 PGIA를 구축할 수 있습니다.
· 최저 잡음: LT1124 및 LT1128은 최고의 잡음 성능을 얻는 것으로 간주할 수 있습니다.
· 최저 드리프트: 새로운 제로 드리프트 증폭기 ADA4523은 ADA4522-2 및 LTC2500-32보다 노이즈 특성이 더 우수합니다.
· 최소 바이어스 전류: 센서의 출력 저항이 높으면 ADA4625-1 사용을 권장합니다.
· 더 높은 대역폭: ADA4807, LTC6226 및 LTC6228은 고대역폭 DAQ 애플리케이션에서 고대역폭, 저잡음 PGIA를 구축할 때 좋은 솔루션입니다.
잡음과 전력 소비가 중요하지 않지만 더 작은 PCB 면적과 높은 통합이 필요한 DAQ 응용 분야에서는 ADI의 새로운 통합 PGIA ADA4254 및 LTC6373도 좋은 선택입니다. ADA4254는 제로 드리프트, 높은전압, 이득이 1/16 ~ ~176인 강력한 PGIA인 반면 LTC6373은 25pA IBIAS, 36V, 0.25 ~ ~16 이득, 낮은 THD PGIA입니다.
표 6. 정밀 연산 증폭기 선택 표
참조
1 지오폰. ScienceDirect.
2 Jesse Santos, Angelo Nikko Catapang 및 Erbe D. Reyta. "지진 신호 감지 네트워크의 기본 사항 이해". Analog Dialogue, 53권, 4호, 2019년 XNUMX월.
3 크리스티나 포르투나도. "프로그래밍 가능한 게인 계측 증폭기: 귀하에게 가장 적합한 증폭기를 찾으십시오." Analog Dialogue, 52권, 4호, 2018년 XNUMX월.
저자에 관하여
David Guo는 Analog Devices 선형 제품 부문의 제품 애플리케이션 엔지니어입니다. 그는 2007년에 애플리케이션 엔지니어로 ADI의 중국 애플리케이션 센터에 입사한 후 2011년 2013월에 애플리케이션 엔지니어로 정밀 증폭기 부서로 옮겼습니다. XNUMX년 XNUMX월부터 David는 Analog Devices의 선형 제품 부문에서 애플리케이션 엔지니어로 근무했습니다. 그는 정밀 증폭기, 계측 증폭기, 고속 증폭기, 전류 감지 증폭기, 곱셈기, 기준 전압 소스 및 RMS-DC 제품의 기술 지원을 담당하고 있습니다. David는 베이징대학교에서 기계 및 전기공학 학사 및 석사 학위를 취득했습니다. Technology. 연락처: 데이비드. guo@analog. com.com.
Steven Xie는 2011년 2007월 ADI 중국 디자인 센터의 제품 애플리케이션 엔지니어로 ADI 베이징 지사에 합류했습니다. 그는 중국 시장에서 SAR ADC 제품의 기술 지원을 담당하고 있습니다. 그 전에는 무선 통신 기지국 분야에서 XNUMX년간 하드웨어 설계자로 일했습니다. XNUMX년에 Steven은 베이징 항공 우주 대학에서 통신 및 정보 시스템 석사 학위를 취득했습니다.