适用于地震学和能源勘探应用的低噪声和低功耗数据采集解决方案

作者：Steven Xie and David Guo

精密数据采集（DAQ）系统在工业应用中很受欢迎。在某些DAQ应用中，需要低功耗和超低噪声。一个例子是地震传感器相关应用，可以从地震数据中提取大量信息，这些信息可用于广泛的应用，如结构健康监测、地球物理研究、石油勘探，甚至工业和家庭安全。

DAQ 信号链 要求

地震检波器是将地面振动信号转换为电信号的机电转换设备。它们适用于高分辨率地震勘探。它们沿着阵列植入地面，以测量地震波从不连续表面（如垫层平面）反射时的返回时间，如图1所示。

图1.地震源和检波器阵列。

为了捕获来自检波器的小输出信号，必须构建高灵敏度DAQ信号链进行数据分析。总均方根噪声应为= 1.0 μV rms，平坦低通带宽范围有限，为300 Hz至~400 Hz，而信号链的THD应达到–120 dB左右。由于地震仪器由电池供电，因此功耗应平衡在30 mW左右。

本文介绍两种信号链解决方案，以实现以下目标要求：

PGIA增益： 1， 2， 4， 8， 16

集成可编程宽带滤波器的ADC

增益 = 1 时的 RTI 噪声（300 Hz 至 ~400 Hz，带宽为 –3 dB），均方根为 1.0 μV rms

总谐波误差：增益 = 1 时为 –120 dB

增益 = 1 时的 CMRR，>100 dB

功耗（PGIA 加 ADC）：33 mW

用于自检的辅助通道

数据采集 信号 链 解决 方案

在ADI网站上，没有一款精密ADC具有所有功能，可以实现如此低的噪声和THD，也没有一款PGIA可以提供如此低的噪声和低功耗。但是，ADI提供高精度放大器和精密ADC来构建信号链以实现目标。

为了构建低噪声、低失真和低功耗的PGIA，超低噪声ADA4084-2或零漂移放大器ADA4522-2是不错的选择。

对于极高精度ADC，24位Σ-Δ型ADC AD7768-1或32位SAR ADC LTC2500-32可能是最佳选择。它们提供可配置的ODR，并带有集成的扁平低通FIR滤波器，适用于不同的DAQ应用。

地震信号链解决方案：ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

整个信号链如图2所示。ADA4084-2、ADG658和0.1%电阻可以构建低噪声和低THD PGIA，支持多达8种不同的可选增益选项。AD7768-1是一款单通道低功耗、–120 dB THD平台。它具有一个低纹波可编程 FIR、DC 至 110.8 kHz 数字滤波器，并使用 LT6657 作为其基准器件。

图2.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1以及MCU滤波信号链解决方案。

AD7768-1在低功耗模式下以1 kSPS的ODR运行时可获得1.76 μV rms噪声，功耗为10 mW。为了实现最终的1.0 μV rms噪声，它可以在更高的ODR下运行，例如中值模式下为16 kSPS。当AD7768-1以较高的调制器频率运行时，其本底噪声较低，如图3所示，功耗较高。可以在MCU软件中实现平坦的低通FIR滤波器算法，以消除更高带宽的噪声，并将最终ODR抽取至1 kSPS。最终均方根噪声约为3.55 μV的四分之一，即0.9 μV。

图3.通过MCU后置滤波平衡AD7768-1的目标噪声ODR。

例如，可以如图4所示制作MCU软件FIR滤波器，以平衡性能和群延迟。

地震信号链解决方案：ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32

LTC®2500-32 是一款低噪声、低功率、高性能 32 位 SAR ADC，具有一个集成的可配置数字滤波器。它具有 32 位数字滤波低噪声和低 INL 输出，适用于地震学和能源勘探。

应缓冲高阻抗源，以最大限度地缩短采集期间的建立时间，并优化开关电容输入SAR ADC线性度。为获得最佳性能，应使用一个缓冲放大器来驱动 LTC2500-32 的模拟输入。必须设计一个分立式 PGIA 电路来驱动 LTC2500-32 以实现低噪声和低 THD，这在 PGIA 部分进行了介绍。

PGIA实施

PGIA电路的主要规格包括：

电源：最小 5 V

由于AD7768-1的功耗为19.7 mW，因此PGIA电路应为<13.3 mW，以满足33 mW功耗目标

噪声：增益 = 1 时的噪声为 0.178 μV rms，约为 AD7768-1 1.78 μV rms 时的 1/10

有三种类型的 PGIA 拓扑：

综合PGIA项目

带有集成仪表放大器的分立式PGIA

带运算放大器的分立式PGIA

表1列出了ADI的数字PGIA。LTC6915 具有最低的 IQ.噪声密度为50 nV/√Hz时，430 Hz带宽内的积分噪声为1.036 μV rms，超过了0.178 μV rms的目标。因此，集成的PGIA不是一个好的选择。

表2列出了几种仪表放大器，包括300 μA IQ AD8422.430 Hz带宽内的积分噪声为1.645 μV rms，因此也不是一个好的选择。

图4.MCU后FIR滤波器级。

图5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信号链解决方案。

图6.LTC2500-32 针对不同降采样因子的平坦通带滤波器噪声。

 

部件号	增益（最小值） （V/V）	增益（最大值）（V/V）	我Q/安培（最大值） （毫安）	VS量程（最小）（V）	VS量程（最大）（V）	输入电压噪声（典型值）（nV/√Hz）
LTC6915	1	4096	1.6	2.7	11	50
AD8557	28	1300	1.8	2.7	5.5	32
AD8556	70	1280	2.7	5	5.5	32
AD8250	1	10	4.5	10	30	18
AD8251	1	8	4.5	10	34	18

部件号	增益（最小值） （V/V）	增益（最大值）（V/V）	我Q/安培（最大值）	VS量程（最小）（V）	VS量程（最大）（V）	输入电压噪声（典型值）（nV/√Hz）
AD8422	1	1000	300 微安	4.6	36	8
LT1168	1	10,000	530 微安	4.6	40	10
AD8220	1	1000	750 微安	4.5	36	14
AD8224	1	1000	800 微安	4.5	36	14
AD8221	1	1000	1毫安	4.6	36	8

装置	VOS(max)(µV)	IBIAS (max)	GBP (typ) (MHz)	0.1 Hz to 10 Hz VNOISE (typ) (nV p-p)	VNOISE Density (typ) (nV/√Hz)	Current Noise Density (typ) (fA/√Hz)	IQ/Amp (typ) (µA)	VS Span (min) (V)	VS Span (max) (V)
ADA4522-2	5	150 pA	2.7	117	5.8	800	830	4.5	55
ADA4084-2	100	250 毫安	15.9	100	3.9	550	625	3	30

 

噪声模拟

LTspice可用于仿真分立PGIA的噪声性能。积分噪声带宽为430 Hz。 表4显示了两种不同PGIA和AD7768-1的噪声仿真结果。ADA4084解决方案具有更好的噪声性能，尤其是在高增益下。®

图7.离散PGIA的框图。

通过运算放大器实现分立式PGIA

文章“可编程增益仪表放大器：找到适合您的放大器”讨论了各种集成PGIA，并为在尝试满足特定要求时构建分立PGIA提供了良好的指南。2图7显示了分立PGIA电路的框图。

ADG659/ADG658可以选择低电容和5 V电源。

对于运算放大器，IQ（<每通道1 mA）和噪声（<6 nV/√Hz电压噪声密度）是关键规格。精密运算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是不错的选择，其特性如表3所示。

对于增益电阻，选择1.2 kΩ/300 Ω/75 Ω/25 Ω电阻以实现1/4/16/64增益。电阻越大，噪声可能会增加，电阻越小，需要的功耗就越大。如果需要其他增益配置，则必须仔细选择电阻以确保增益精度。

差分输入ADC扮演减法器的角色。ADC的CMRR为>100 dB，可以满足系统要求。

 

	ADA4084 PGIA 和AD7768-1	ADA4522 PGIA 和AD7768-1
RTI 在 430 Hz 带宽内的集成噪声 增益 = 1 （μV rms）	1.765	1.774
RTI 积分噪声在 430 Hz 带宽和增益 = 4 （μV rms） 以内	0.744	0.767
RTI 积分噪声在 430 Hz 带宽和增益 = 16 （μV rms） 以内	0.259	0.311
RTI积分噪声在430 Hz带宽和增益= 64 （μV rms）以内	0.148	0.225

 

用于驱动 LTC2500-32 的环内补偿电路

AD7768-1集成预充电放大器，可降低驱动要求。对于 SAR ADC，例如 LTC2500-32，通常建议使用高速放大器作为驱动器。在 此 DAQ 应用 中， 带 宽 要求 较低。为了驱动LTC2500-32，建议使用一个使用精密放大器（ADA4084-2）的环内补偿电路。图 8 示出了用于驱动 LTC2500-32 的环内补偿 PGIA。PGIA具有以下特点：

R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3是提高环内补偿电路稳定性的关键元件。

ADG659时，A1/A0 = 00，增益 = 1，上部放大器的反馈路径为放大器输出 ➞ R22 ➞ R30 ➞ S1A ➞ DA ➞ R6 ➞ 放大器输入。

ADG659时，A1/A0 = 11，增益 = 64，上部放大器的反馈路径为放大器输出 ➞ R22 ➞ R8 ➞ R10 ➞ R12 ➞ S4A ➞ DA ➞ R6 ➞ 放大器 —IN。

PGIA 连接至 LTC2500-32EVB 以验证性能。尝试不同的无源元件（R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3）值，以在不同增益（1/4/16/64）下达到更好的THD和噪声性能。最终分量值为：R22/R27 = 100 Ω、C14/C6 = 1 nF、R30/R31 = 1.2 kΩ、C3/C5 = 0.22 μF。增益 = 低于 PGIA 1 时测得的 3 dB 带宽约为 16 kHz。

图8.用于驱动 LTC2500-32 的 PGIA。

工作台评估设置

为了测试噪声、THD和CMRR性能，我们制作了分立式ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板作为整体解决方案。该解决方案与EVAL-AD7768-1评估板兼容，因此可以与控制板SDP-H1连接。因此，EVAL-AD7768FMCZ软件GUI可用于收集和分析数据。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板设计为替代整体解决方案。该板与 SDP-H1 控制器板接口，该板由 LTC2500-32FMCZ 软件 GUI 控制。

在这两款电路板中，PGIA的增益设计为1/2/4/8/16，与图8所示不同。表 5 显示了这两款电路板的评估结果。

图9.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1评估板解决方案。

 

	ADA4084-2和AD7768-1（中值模式，FMOD = 4 MHz，ODR = 16 kSPS）+	ADA4084-2和AD7768-1（中值模式，FMOD = 4 MHz，ODR = 16 kSPS）+ MCU FIR和DEC 至 ODR = 16 k/16 = 1 kSPS	ADA4084-2 和 LTC2500-32 ADC MCLK = 1 MHz
增益 = 1 时的 RTI 噪声 （μV rms）	3.718	0.868	0.82
增益时的RTI噪声 = 2 （μV rms）	1.996	0.464	0.42
增益 = 4 时的 RTI 噪声 （μV rms）	1.217	0.286	0.3
增益 = 8 时的 RTI 噪声 （μV rms）	0.909	0.208	0.24
增益 = 16 时的 RTI 噪声 （μV rms）	0.808	0.186	0.19
增益 = 1 时的总和误差 （dB）	−125	−125	−122
增益 = 2 时 THD （dB）	−125	−125	−119
增益 = 4 时的总和误差 （dB）	−124	−124	−118
增益 = 8 时的总谐波 （dB）	−120	−120	−117
增益 = 16 时的总和误差 （dB）	−115	−115	−115
增益 = 1 时 CMRR （dB）	131	131	114
增益 = 4 时 CMRR （dB）	117	117	121
增益 = 16 时 CMRR （dB）	120	120	126
钯典型值 （毫瓦）	31.3	31.1	33.2

 

图 10.ADA4084-2 PGIA 和 LTC2500-32 板 FFT，增益为 1。

结论

为了 为 地震 和 能源 勘探 设计 超 低 噪声 和 低功耗 DAQ 解决 方案， 可以 设计 一个 分立 PGIA， 带 低 噪声 和 THD 精密 放大器 来 驱动 高分辨率 精密 ADC。该解决方案可灵活地平衡噪声、THD 和 ODR 与其功耗要求。

LTC2500-32 的低噪声性能以及 ADA4084-2 和 LTC2500-32 的优势在于，无需 MCU 的进一步滤波处理即可获得最佳噪声性能。

ADA4522-2和ADA4084-2在PGIA增益= 1时均具有良好的噪声性能。噪声性能约为0.8 μV rms。

ADA4084-2在高增益下具有更好的噪声性能。增益 = 16 时，ADA4084-2 和 LTC2500-32 的噪声为 0.19 μV rms，优于 ADA4522-2 的 0.25 μV rms。

对于AD7768-1，采用MCU滤波时，ADA4084-2和AD7768-1解决方案的噪声性能与ADA4084-2和LTC2500-32解决方案相似。

本文给出了一种数据采集解决方案，该解决方案要求在有限带宽下同时实现低噪声和低功耗。还有其他DAQ应用需要不同的性能。如果低功耗不是必须的，那么可以使用以下运算放大器来构建PGIA：

最低噪声：LT1124 和 LT1128 可被认为具有最佳噪声

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

最低偏置电流：如果传感器的输出电阻较高，则推荐使用ADA4625-1。

更高的带宽：ADA4807、LTC6226 和 LTC6228 是在高带宽 DAQ 应用中构建高带宽、低噪声 PGIA 的良好解决方案。

在噪声和功耗并不重要，但需要小PCB面积和高完整性的DAQ应用中，ADI公司的新型集成PGIAADA4254和LTC6373也是不错的选择。ADA4254是一款零漂移、高电压、1/16至~176增益鲁棒PGIA，LTC6373是一款25 pA I偏见，36 V，0.25 至 ~16 增益，低 THD PGIA。

 

部件号	VOS (max) (µV)	IBIAS (max)	GBP (typ) (MHz)	0.1 Hz to 10 Hz VNOISE (typ) (nV p-p)	VNOISE Density (typ)	电流噪声密度 （典型值）	IQ/Amp (typ)	VS跨度（最小）（V）	VS量程（最大）（V）
ADA4522-2	5	150 pA	2.7	117	5.8 nV/√赫兹	800 fA/√赫兹	830 微安	4.5	55
ADA4084-2	100	250 毫安	15.9	100	3.9 nV/√赫兹	550 fA/√赫兹	625 微安	3	30
ADA4625-1	80	75 pA	18	150	3.3 nV/√赫兹	4.5 fA/√赫兹	4毫安	5	36
LT1124	70	20 毫安	12.5	70	2.7 nV/√Hz	300 fA/√赫兹	2.3毫安	8	44
LT6233	500	3 微安	60	220	1.9 nV/√赫兹	430 fA/√赫兹	1.15毫安	3	12.6
ADA4084-1	100	250 毫安	15.9	100	3.9 nV/√赫兹	550 fA/√赫兹	565 微安	3	30
ADA4807-1	125	1.6 微安	200	160	3.3 nV/√赫兹	700 fA/√赫兹	1毫安	2.7	11
ADA4523-1	5	300 pA	5	88	4.2 nV/√赫兹	1 pA/√赫兹	4.5毫安	4.5	36
LT1128	40	90 毫安	20	35	850 pV/√赫兹	1 pA/√赫兹	7.4毫安	8	44
LTC6228	95	25 微安	890	940	880 pV/√赫兹	3 pA/√赫兹	16毫安	2.8	11.75
LTC6226	95	20 微安	420	770	1 nV/√赫兹	2.4 pA/√赫兹	5.5毫安	2.8	11.75

 

审核编辑：郭婷