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为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

电子设计 来源:郭婷 作者:电子设计 2019-03-15 08:40 次阅读

医疗和工业应用继续收集更多数据,随着设备和系统从可穿戴ECG监护仪到工厂自动化中的预测性维护应用程序的连接越来越多,这种需求将继续增长。然而,数据仅与其精度一样有价值,为此,逐次逼近寄存器模数转换器(SAR-ADC)为给定的模拟输入信号提供成功且准确的数字结果。当与适当的驱动器运算放大器(运算放大器)结合使用时尤其如此。

对于医疗和工业监控,准确度和精度至关重要。 SAR-ADC产生指定的位数。但是,如果输入信号由于噪声或振荡而不稳定,则转换器只能可靠地产生输入信号的不稳定性。面临的挑战是确保模拟系统噪声和运算放大器带宽与SAR-ADC相辅相成。

本文简要讨论了支持抗混叠滤波器的设计和互补运算放大器的正确选择。最后总结了两个最终设计。第一设计将使用ADI公司的AD4003BRMZ,18位,2 MSPS,SAR-ADC和ADI公司的ADA4940-1ACPZ-R7全差分运算放大器。

设计二将使用德州仪器'ADS8860IDRCT,16位,1 MSPS,SAR-ADC和德州仪器的THS4531ID,全差分运算放大器。请注意,仿真和台架验证是此设计过程的最后一步。

理解SAR-ADC/放大器接口背后动力学的关键是将设计分解为可管理的块。

SAR-ADC输入结构

SAR-ADC输入结构的基本模型主要由两个开关(SWsampl,SWconv),输入开关电阻(Rswitch)和采样电容Csampl组成(图1)。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

图1:良好工作的SAR-ADC输入模型有助于确定合适的放大器驱动器和抗混叠滤波器。 (图像来源:Digi-Key Electronics)

在信号采集之前,采样开关SWsampl打开,转换开关SWconv打开。 SWsampl的闭合启动信号采集状态,在Csampl上建立电压和电荷水平。在采集或采样周期(tAQU)结束时,SWsampl打开。通过此操作,信号与SAR-ADC的输入引脚隔离,器件继续比较每个N位,分别确定正确的1或0值。

在此采集期间,有一个初始值SAR-ADC输入端的高频电压/电流尖峰最终会稳定,以反映放大器的输出电压。如果电路中不存在Rflt和Cflt元件,则运算放大器必须能够在采集周期结束时将Csampl充电至低于最低有效位(LSB)的1/2。这需要一个非常高速的放大器,可以保持Csampl容性负载的稳定性。这种高速放大器还会给系统带来更多噪声并增加系统功耗。

另一种系统是重新插入Rflt和Cflt,允许使用低频放大器。此外,附带的R/C对用作抗混叠滤波器。

模拟器件AD4003的采集或采样时间tAQU和吞吐率(tCVC),2 MHz采样,18位SAR-ADC分别为290纳秒(ns)和500 ns(图2)。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

图2:AD4003 3线无忙指示器串行接口时序图,包括状态位(SDI高)。当先前的转换结果出现在SDO输出引脚上时,会发生信号采集tAQU。 (图像来源:ADI公司)

正确的驱动放大器选择非常重要。作为起点,放大器必须是单位增益稳定的。除此之外,产品选择期间关注的主要参数是放大器的压摆率。

输入信号伏特每微秒最小压摆率(SRmin)等于p * fin * Vout-pp * 10 -6 。例如,如果频率和输出峰峰值电压(Vout-pp)分别为500kHz和2伏,则信号转换速率为1.256伏/微秒(V/μsec)。一个好的经验法则是选择转换速率大于或等于2 * SRmin的运算放大器。 ADA4940-1的指定压摆率为90 V/μsec。

确定Cflt的值

Cflt的作用有三个:吸收开始时的高频瞬变采集时间,为SAR-ADC的输入提供充足的电荷,并在采集时间结束时稳定SAR-ADC输入电压。当Cflt的值至少比SAR-ADC采样电容Csampl的值高10倍时,这是可能的。这确保了95%的所需电荷可用于采样电容。

对于ADI公司的AD4003,Cflt必须等于或大于400皮法(pF)(再次参见图1)。在本文的第一个设计中,使用AD4003,Cflt的值为500 pF。 Cflt工艺材料应具有高Q值,低温度系数和不同电压,频率和时间下稳定的电气特性的C0G或NPO。

Rflt电阻有两个功能。第一个功能是将放大器的输出与高容性负载隔离。第二个功能是创建一阶抗锯齿滤波器。

确定Rflt的值作为隔离代理和抗混叠滤波器

其中一个目标是驱动器和运算放大器的组合是通过将负载电容与驱动器放大器的输出隔离来创建稳定的放大器。放大器负载电容和放大器输出之间的电阻器完成了这项任务。选择合适的电阻器的一个限制是确保放大器电路稳定。 Rflt/Cflt对为放大器的开环传递函数增加了一个额外的极点和零点(图2)。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

图3:ADA4940-1的开环增益与频率曲线。 Rflt和Cflt改变放大器的开环增益曲线。为了稳定,开环增益(Aol)和闭环增益(Acl)曲线的闭合速率必须为20 dB/decade。 (图像来源:Digi-Key Electronics)

放大器稳定性发生在开环增益和闭环增益曲线相交的地方。如果这两条曲线的闭合速率为20 dB/decade,则电路将保持稳定(再次参见图2)。如果这两条曲线的闭合速率为40 dB/decade,则电路将不稳定。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

使用ADA4940-1和AD4003的第一个设计的Rflt和Cflt值等于15 W和500 pF。此时的问题是:这个一阶抗混叠滤波器的截止频率是多少?

这个一阶抗混叠滤波器的响应取决于Rflt的值和CFLT。此滤波器转角频率的变量为fflt(公式4)。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

Rflt和Cflt以20的速率衰减模拟路径中的噪声dB/decade高于7.6 MHz。请注意,fflt等于fzx。

放大器带宽的定义包含在使用GBWP规范的等式1中。但是,放大器选择过程还有很多。放大器建立时间和噪声等特性值列在关键列表中。

放大器选择

放大器的建立时间与Rflt/Cflt网络的建立时间相结合制作复合系统的稳定时间。

驱动器运算放大器Rflt和Cflt组合的目标之一是创建一个环境,使信号稳定在小于或等于SAR-ADC的0.5 LSB的电压。随着SAR-ADC分辨率的提高,建立容差变得越来越小(表1)。

SAR-ADC位数0.5 LSB限制时间限制10 0.0488281%8 12 0.0122070%9 14 0.0030518%11 16 0.0007629%12 18 0.0001907%13 20 0.0000477%15 22 0.0000119%17 24 0.0000030%18

表1:随着SAR-ADC比特数的增加,采样信号的精度也会增加。 (图像来源:Digi-Key Electronics)

在上表中,0.5 LSB限值的计算等于100 * 0.5/2 N ,其中N等于SAR-ADC的位数。 AD4003BRMZ-ND是一个18位SAR-ADC,因此根据表格,18位ADC所需的时间常数为13。

SAR-ADC输入信号必须在转换器的时间。对于ADA4003转换器,这至少为290 ns。

ADA4940-1,0.1%,2 V步进建立时间为37 ns。因此,我们很有可能在290 ns(ADC的采集时间tAQU)内进行采样。

要考虑的最后一个关键问题是系统噪声。

系统噪声

最好使放大器的噪声贡献至少比SAR-ADC噪声低五倍。 SAR-ADC噪声规范是SNR或信噪比。 SNR规格单位为分贝或dB。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

其中V1/f_AMP_PP是以rms为单位的峰峰值闪烁噪声,en_RMS是宽带放大器噪声,f-3dB是3 dB带宽Rflt/Cflt滤波器的设计。

设计#2

设计二采用德州仪器的ADS8860IDRCT,16位,1 MSPS,SAR-ADC和THS4531ID,全差分运算放大器。 SAR-ADC输入结构的基本模型还包括两个开关(SWsampl,SWconv),输入开关电阻(Rsw)和采样电容Csampl(图4)。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

图4:ADS8860具有伪差分输入级。良好的SAR-ADC输入模型有助于确定合适的放大器驱动器和抗混叠滤波器。 (图片来源:Digi-Key Electronics)

ADS8860开关与AD4003的操作类似。虽然两个ADS8860输入均采集各自的输入信号,但反相输入的输入范围仅限于几百毫伏。当采样开关(SWsampl)闭合时,两个输入都经历相同的高频电压/电流尖峰。

ADS8860的tAQU和吞吐速率(1/fsample),1 MHz采样,16位SAR-ADC分别为290 ns和1μs(图5)。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

图5:ADS8860 3线操作。 CONVST用作片选(图像源。德州仪器)

输入信号伏特每微秒最小压摆率(SRmin)等于p * fin * Vout-pp * 10 -6 。例如,如果频率和输出峰峰值电压(Vout-pp)分别为250kHz和2伏,则信号转换速率为1.57伏/微秒。同样,同样的经验法则适用:选择转换速率大于或等于2 * SRmin的运算放大器。 THS4531指定的压摆率为200伏/μsec。

确定Cflt

对于ADS8860,Cflt必须等于或大于Csampl的十倍,或550 pF(图1) )。对于这篇文章,Cflt是1 nF。 Cflt过程应该再次为C0G或NPO。

确定Rflt作为隔离剂和抗混叠滤波器的值

Rflt/Cflt对增加一个极点和零到放大器的开环传递函数(图6)。

为精密医疗和工业模数转换设计可靠的抗混叠滤波器

图6:德州仪器THS4531的开环增益与频率曲线。 Rflt和Cflt改变放大器的开环增益曲线。为了稳定,开环增益(Aol)和闭环增益(Acl)曲线的闭合速率必须为20 dB/decade。 (图像来源:Digi-Key Electronics)

第一种设计的Rflt和Cflt值,使用THS4531和ADS8860,分别等于50 W和1 nF(等式1,2和3) )。

这个一阶抗混叠滤波器的响应取决于Rflt和Cflt的值。该滤波器的转角频率的变量是fflt(等式4)。 Rflt和Cflt以高于1.13 MHz的20 dB/decade的速率衰减模拟路径中的噪声。请注意,fflt等于fzx。

放大器选择

放大器的建立时间与Rflt/Cflt网络的建立时间相结合,以产生复合系统建立时间。/p>

驱动器运算放大器Rflt和Cflt组合的目标之一是创建一个环境,使信号稳定在小于或等于SAR-ADC的0.5 LSB的电压。随着SAR-ADC分辨率的提高,建立容差变得越来越小(表1)。 ADS8860是一款16位SAR-ADC。根据表格,16位ADC所需的时间常数为12。

SAR-ADC输入信号必须在转换器的tAQU时间内稳定下来。对于ADS8860转换器,这至少为290 ns。 THS4531的0.01%,2伏步进建立时间为150 ns。因此,很有可能在290 ns(ADC的采集时间tAQU)内进行采样。

结论

如上所述,数据仅与其准确性一样有效。对于工业和医疗应用,精度至关重要,因此成功的设计始于数据采集。

本文提供设计方程式,以获得SAR-ADC器件的正确驱动放大器和抗混叠滤波器。这些方程式将放大器的带宽,压摆率和噪声与SAR-ADC的转换时间和采集时间相匹配,从而创建一个稳定,精确的系统。通过回顾和理解设计公式,可以使用所示的产品和设计实例来设计SAR-ADC驱动放大器系统。

请注意,模拟和台架验证是最后的步骤在这个设计过程中。

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