用于地震学和能源勘探应用的低噪声、低功耗DAQ解决方案

精密数据采集(DAQ)系统在工业应用中深受欢迎。一些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,从地震数据中可以提取大量信息,这些信息可用于广泛的应用,例如结构健康监测、地球物理研究、石油勘探甚至工业和家庭安全1

DAQ信号链要求

地震检波器是将地振动信号转换成电信号的机电转换装置,适用于高分辨率地震勘探。它们沿着阵列被植入地面,用于测量地震波从非连续面(如层面)反射回来的时间,如图1所示。

图1.地震源和检波器阵列。 

要捕获地震检波器的小输出信号,必须构建高灵敏度DAQ信号链以进行数据分析。总均方根噪声应为1.0 μV rms,有限的平坦低通带宽范围为300 Hz至400 Hz左右,同时信号链应实现大约-120 dB的THD。由于地震仪器由电池供电,因此功耗应控制在约30 mW。

本文介绍两种信号链解决方案,其达成的目标要求如下:

  • PGIA增益:1、2、4、8、16
  • 集成可编程宽带滤波器的ADC
  • 增益 = 1时(-3 dB带宽为300 Hz至约400 Hz)的RTI噪声为1.0 μV rms
  • THD:-120 dB(增益 = 1时)
  • CMRR > 100 dB(增益 = 1时)
  • 功耗(PGIA加ADC):33 mW
  • 第二通道用于自测

DAQ信号链解决方案

ADI网站上没有一款精密ADC具备所有这些特性并能实现如此低的噪声和THD,也没有一款PGIA能提供如此低的噪声和功耗。但是,ADI公司提供了出色的精密放大器和精密ADC,可使用这些器件构建信号链以达成目标。

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

关于非常高精度的ADC,24位Σ-Δ型ADC AD7768-1 或32位SAR型ADC LTC2500-32 是上上之选。它们提供可配置的ODR,并集成平坦低通FIR滤波器,适合不同的DAQ应用。

地震信号链解决方案:ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

图2显示了整个信号链。ADA4084-2、 ADG658 和0.1%电阻可以构建低噪声、低THD PGIA,提供最多八个不同的增益选项。AD7768-1是单通道、低功耗、-120 dB THD平台。它具有低纹波可编程FIR、DC至110.8 kHz数字滤波器,使用 LT6657 作为基准电压源。

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

AD7768-1以1 kSPS的ODR运行时,均方根噪声为1.76 μV rms;在低功耗模式下,功耗为10 mW。为了实现最终1.0 μV rms噪声,它可以更高的ODR运行,例如中速模式下的16 kSPS。当AD7768-1以较高调制器频率运行时,它具有较低的本底噪声(如图3所示)和较高的功耗。可以在MCU软件中实现平坦低通FIR滤波器算法,以消除较高带宽噪声,并将最终ODR降至1 kSPS。最终均方根噪声将是3.55μV的大约四分之一,即0.9 μV。

图3.利用MCU后置滤波平衡AD7768-1的ODR以达到目标噪声性能。

作为一个例子,MCU软件FIR滤波器可以按图4所示构建,以平衡性能和群延迟。

地震信号链解决方案:ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32

LTC2500-32是一款集成可配置数字滤波器的低噪声、低功耗、高性能32位SAR ADC。32位数字滤波的低噪声和低INL输出,使它特别适合地震学和能源勘探应用。

高阻抗源应加以缓冲以使采集期间的建立时间最短,并优化开关电容输入SAR ADC线性度。为获得优质性能,应使用缓冲放大器来驱动LTC2500-32的模拟输入。必须设计一个分立PGIA电路来驱动LTC2500-32,以实现低噪声和低THD(PGIA部分引入的)。

PGIA实现

PGIA电路的主要规格包括:

  • 电源:5 V(最小值)
  • AD7768-1有19.7 mW的功耗,因此PGIA电路的功耗应小于13.3 mW,才能满足33 mW的功耗目标
  • 噪声:增益 = 1时的噪声为0.178 μV rms,约为AD7768-1 1.78 μV rms的1/10

有三类PGIA拓扑结构:

  • 集成PGIA
  • 集成仪表放大器的分立PGIA
  • 带运算放大器的分立PGIA

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

表2列出了几种仪表放大器,包括300μA IQAD8422。它在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后置FIR滤波器级 
图5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信号链解决方案
图6.不同降采样系数下的LTC2500-32平坦通带滤波器噪声
表1.数字PGIA
产品型号 增益(最小值,单位:V/V) 增益(最大值,单位:V/V) IQ/放大器(最大值,单位:mA) VS 范围(最小值,单位:V) VS 范围(最大值,单位:V) 输入电压噪声(典型值,单位: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
表2.仪表放大器
产品型号 增益(最小值,单位:V/V) 增益(最大值,单位:V/V) IQ/放大器(最大值) VS 范围(最小值,单位:V) VS 范围(最大值,单位:V) 输入电压噪声(典型值,单位:nV/√Hz)
AD8422 1 1000 300 µA 4.6 36 8
LT1168 1 10,000 530 µA 4.6 40 10
AD8220 1 1000 750 µA 4.5 36 14
AD8224 1 1000 800 µA 4.5 36 14
AD8221 1 1000 1 mA 4.6 36 8
表3.低噪声、低功耗运算放大器
器件 VOS(最大值,单位:µV) IBIAS(最大值) GBP (典型值,单位:MHz) 0.1 Hz至10 Hz VNOISE(典型值,单位:nV p-p) VNOISE 密度(典型值,单位:nV/√Hz) 电流噪声密度(典型值,单位:fA/√Hz) IQ/放大器(典型值,单位:µA) VS 范围(最小值,单位:V) VS 范围(最大值,单位:V)
ADA4522-2 5 150 pA 2.7 117 5.8 800 830 4.5 55
ADA4084-2 100 250 nA 15.9 100 3.9 550 625 3 30

噪声仿真

可以使用LTspice®来仿真分立PGIA的噪声性能。积分噪声带宽为430 Hz。表4显示了两个不同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,尤其是在高增益时。

图7.分立PGIA框图

使用运算放大器构建分立PGIA

"可编程增益仪表放大器:找到最适合您的放大器" 一文讨论了各种集成PGIA,并为构建满足特定要求的分立PGIA提供了很好的指导建议2>。图7显示了分立PGIA电路的框图。

可以选择低电容和5 V电源的ADG659/ADG658。

对于运算放大器,IQ(每通道<1 mA)和噪声(电压噪声密度<6 nV/√Hz)是关键规格。精密运算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是很好的选择,其特性列于表3中。

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

差分输入ADC起到减法器的作用。ADC的CMRR大于100 dB,可满足系统要求。

表4.噪声仿真结果
  ADA4084 PGIA 和 AD7768-1 ADA4522 PGIA 和 AD7768-1
增益 = 1时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(µV rms) 1.765 1.774

增益 = 4时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(µV rms)

0.744 0.767
增益 = 16时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(µV rms) 0.259 0.311
增益 = 64时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(µV rms) 0.148 0.225

在环补偿电路驱动LTC2500-32

AD7768-1集成了预充电放大器,可减轻驱动要求。对于SAR ADC,例如LTC2500-32,一般建议使用高速放大器作为驱动器。在此DAQ应用中,带宽要求很低。为了驱动LTC2500-32,建议使用一个由精密放大器(ADA4084-2)构成的在环补偿电路。图8显示了用于驱动LTC2500-32的在环补偿PGIA。该PGIA具有如下特性:

R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3关键元件,用以提高在环补偿电路的稳定性。

使用ADG659,A1/A0 = 00,增益 = 1,上方放大器的反馈路径为放大器输出 ➞ R22 ➞ R30 ➞ S1A ➞ DA ➞ R6 ➞ AMP —IN。

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

PGIA连接到LTC2500-32EVB以验证性能。试验不同的无源元件(R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3)值,以在不同增益(1/4/16/64)下实现更好的THD和噪声性能。最终元件值为:R22/R27 = 100 Ω,C14/C6 = 1 nF,R30/R31 = 1.2 kΩ,C3/C5 = 0.22 µF。PGIA以下的增益为1时的实测3 dB带宽约为16 kHz。

图8.PGIA驱动LTC2500-32

试验台评估设置

为了测试噪声、THD和CMRR性能,将分立ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板做成完整解决方案。该解决方案与EVAL-AD7768-1评估板兼容,因而可以与控制板SDP-H1接口。因此,可以使用EVAL-AD7768FMCZ软件GUI来收集和分析数据。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板设计为备选的完整解决方案。电路板与SDP-H1控制板接口,并由LTC2500-32FMCZ软件GUI控制。

两个板的PGIA增益均被设计为1/2/4/8/16,这与图8所示不同。表5显示了这两个板的评估结果。

图9.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1评估板解决方案
表5.信号链解决方案测试结果
  ADA4084-2、AD7768-1(中速模式,FMOD = 4 MHz,ODR = 16 ksps)+ ADA4084-2、AD7768-1(中速模式,FMOD = 4 MHz,ODR = 16 kSPS)+ MCU FIR和DEC至ODR = 16 k/16 = 1 kSPS ADA4084-2、LTC2500-32 ADC MCLK = 1 MHz
增益 = 1时的RTI噪声(μV rms) 3.718 0.868 0.82
增益 = 2时的RTI噪声(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THD (dB) −125 −125 −122
增益 = 2时的THD (dB) −125 −125 −119
增益 = 4时的THD (dB) −124 −124 −118
增益 = 8时的THD (dB) −120 −120 −117
增益 = 16时的THD (dB) −115 −115 −115
增益 = 1时的CMRR (dB) 131 131 114
增益 = 4时的CMRR (dB) 117 117 121
增益 = 16时的CMRR (dB) 120 120 126
Pd典型值(mW) 31.3 31.1 33.2
图10.增益为1时的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT

结论

针对地震学和能源勘探应用,为了设计一个非常低噪声和低功耗的DAQ解决方案,可以使用低噪声、低THD的精密放大器设计分立PGIA,以驱动高分辨率精密ADC。这种解决方案可以根据功耗要求灵活地平衡噪声、THD和ODR。

  • LTC2500-32的低噪声性能加上ADA4084-2和LTC2500-32的优点,使得解决方案表现出优质噪声性能,无需MCU进一步滤波处理。
  • 在PGIA增益 = 1时,ADA4522-2和ADA4084-2都有良好的噪声性能。噪声性能约为0.8 µV rms。
  • ADA4084-2在高增益时具有更好的噪声性能。在增益 = 16时,ADA4084-2和LTC2500-32的噪声为0.19 μV rms,比ADA4522-2的0.25 μV rms要好。
  • 对于AD7768-1,借助MCU滤波,ADA4084-2和AD7768-1解决方案表现出与ADA4084-2和LTC2500-32解决方案相似的噪声性能。

本文给出的数据采集解决方案要求低噪声和低功耗,而带宽有限。其他DAQ应用会有不同的性能要求。如果低功耗不是必需的,可以使用如下运算放大器来构建PGIA:

  • 最低噪声:可以考虑LT1124和LT1128以获得优质噪声性能。
  • 最低漂移:新型零漂移放大器ADA4523具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的噪声特性。
  • 最低偏置电流:如果传感器的输出电阻较高,建议使用ADA4625-1。
  • 较高带宽:当构建高带宽DAQ应用中的高带宽、低噪声PGIA时,ADA4807、LTC6226和LTC6228是很好的解决方案。

在噪声和功耗不重要,但要求较小PCB面积和高集成度的DAQ应用中,ADI公司的新型集成PGIA ADA4254和LTC6373也是很好的选择。ADA4254是一款零漂移、高电压、1/16至~176增益的鲁棒PGIA,而LTC6373是一款25 pA IBIAS、36 V、0.25至~16增益、低THD PGIA。

表6.精密运算放大器选型表
产品型号 VOS (最大值,单位:µV) IBIAS (最大值) GBP (典型值,单位:MHz) 0.1 Hz至10 Hz VNOISE(典型值,单位:nV p-p) VNOISE 密度典型值 电流噪声密度典型值 IQ/放大器典型值 VS范围(最小值,单位:V) VS 范围(最大值,单位:V)
ADA4522-2 5 150 pA 2.7 117 5.8 nV/√Hz 800 fA/√Hz 830 µA 4.5 55
ADA4084-2 100 250 nA 15.9 100 3.9 nV/√Hz 550 fA/√Hz 625 µA 3 30
ADA4625-1 80 75 pA 18 150 3.3 nV/√Hz 4.5 fA/√Hz 4 mA 5 36
LT1124 70 20 nA 12.5 70 2.7 nV/√Hz 300 fA/√Hz 2.3 mA 8 44
LT6233 500 3 µA 60 220 1.9 nV/√Hz 430 fA/√Hz 1.15 mA 3 12.6
ADA4084-1 100 250 nA 15.9 100 3.9 nV/√Hz 550 fA/√Hz 565 µA 3 30
ADA4807-1 125 1.6 µA 200 160 3.3 nV/√Hz 700 fA/√Hz 1 mA 2.7 11
ADA4523-1 5 300 pA 5 88 4.2 nV/√Hz 1 pA/√Hz 4.5 mA 4.5 36
LT1128 40 90 nA 20 35 850 pV/√Hz 1 pA/√Hz 7.4 mA 8 44
LTC6228 95 25 µA 890 940 880 pV/√Hz 3 pA/√Hz 16 mA 2.8 11.75
LTC6226 95 20 µA 420 770 1 nV/√Hz 2.4 pA/√Hz 5.5 mA 2.8 11.75

参考电路

1地震检波器。 ScienceDirect.

2esse Santos、Angelo Nikko Catapang和Erbe D. Reyta。 “了解地震信号检测网络的基础知识。” 模拟对话,第53卷第4期,2019年12月。

3Kristina Fortunado。 “可编程增益仪表放大器:找到最适合您的放大器。” 模拟对话,第52卷第4期,2018年12月。

作者

Steven Xie

Steven Xie

Steven Xie 于2011 年加入ADI 北京分公司,是中国设计中心的一名ADC 应用工程师。他负责中国市场SAR ADC 产品的技术支持工作。在此之前,他曾在Ericsson CDMA 团队做过四年的硬件设计人员。2007 年,Steven毕业于北京航空航天大学,并获得通信与信息系统硕士学位。

David Guo

David Guo

David Guo 是ADI公司位于北京的中国应用支持部门的一名现场应用工程师。获得北京理工大学机电工程硕士学位后,他在长峰集团工作过两年,担任导航终端硬件工程师。他于2007年加入ADI公司。