关于高效信号链的成本及性能优化分析

从工业过程控制和测量到高速通信和成像，高效的信号采集是各类应用的基础，如此宽广范围的应用类别，要匹配适当的应用组件，创建一个信号链是至关重要的，以便以尽可能低的成本满足性能要求，但随着嵌入式传感器系统（给物联网提供采集信号）有望大发展，平衡成本与性能也就变得更加重要了。物联网设备数量预计达上百亿，每级信号链上节省的资源汇总起来就可以节省惊人的资源。

对设计者来说，要从总体出发，建立一个高效的信号链意味着要平衡每个独立组件规格，在信号链的每个阶段都要达到目标性能水平。然而有些应用要求设备尽可能高的规格（如图 1），但是设计者可能经常使用更具成本效益的组件，不过是要在达到性能和功能要求水平后创建完整的信号链

图 1 ：高性能模拟组件，包括模数转换器和多路复用器，能够使CERN（欧洲核子研究组织）的LHC（大型量子对撞机）以最可能高的性能来测量磁场区域

在理想情况下，信号采集电路的大多数基本形式是只包含一个组件：模数转换器（ADC），它将传感器或其他输入源输入的模拟信号转换为数字信号。然而，对于任何实际应用，现实世界的信号不可能这么简单，有进一步信号调节的需要，包括信号放大和滤波（如图 2）。对于使用有源传感器和额外组件（例如数模转换器（DAC））的应用，需要在系统前端设置精确的参考电压和放大器，以便为传感器提供所要求大小的励磁电流或者电压。

图 2：数据转换之前，典型的模拟信号链需要调节来弥补小信号输入、信号补偿和其他的每个应用特有信号特征

信号调节

通常情况下，传感器和换能器产生小振幅信号。如果没有经过放大，这些信号只能满足ADC全部动态范围中一部分使用要求，由于ADC有限的分辨率和转换器量化误差影响，最有可能导致细节丢失。

因此，设计师通常需要一个模拟前端（AFE）放大器来增加输入信号的幅度，以符合ADC全部动态范围需求。同样重要的是，输入放大器可以确保传感器和换能器保持正确加载，同时也可以缓冲负载瞬间变化对前端的影响，当信号采样时，这种负载瞬变现象会出现在某些类型ADCs的输入端。

工程师可以找到跨越较宽功能和性能范围的放大器。尽管通常都是尽可能去找到一种可能具备最高性能的放大器，但是工程师可以通过严格的将放大器的规格与输入信号的特征和要求的输出分辨率进行比较，然后可以大大降低设计成本。例如，当信号慢速率变化并且在噪声上保持很好时，采用带有最快转换速率和最低噪声的仪表放大器（IA）则可能白白增加了成本，同样的，具有最好线性规格的放大器可以简单的超越ADC，提供足够精确的结果，虽然有量化误差，但从总体上看却符合信号链的性能要求。

基于信号特征和应用要求，工程师面临更严格的要求，他们可以选择各种功能齐全的放大器，例如高精确度的IA、低噪声的放大器（LNA）和可编程增益放大器（PGA）。不过传统放大器提供的性能特征适合大多数应用。例如，轨到轨输入输出（RRIO）低噪声放大器如亚德诺半导体公司的AD850x、美信公司的MAX963x和德州仪器公司的OPA320系列在信号采集广泛的应用中，能够将动态范围扩到最大，将噪声降到最小，是降低成本的选择。

尽管传统的单端输入放大器对很多的应用已经足够了，但是很多信号采集应用要求差分输入，并且良好的共模抑制是其关键。例如，使用电桥传感器的应用或者在非常嘈杂环境下工作的设计，要求对放大器的差分输入具有更高的共模抑制特性。实际上，一些差分放大器例如ADI公司的AD8476和德州仪器公司的THS4531就是为解决差分信号调节要求而专门设计的，包括为简化ADCs接口而设计的功能。谈到ADC接口，亚德诺半导体公司的AD8476内部发现的集成激光微调电阻可以帮助在信号链设计中减少组件数量和成本（如图 3）。

图 3：差分放大器例如ADI的AD8476带有集成激光微调电阻，具有按ADC接口要求调整输出能力，帮助简化差分输入要求的信号链设计