用於地震學和能源勘探應用的低雜訊、低功耗DAQ解決方案

作者:ADI 產品應用工程師Steven Xie 和 David Guo


精密資料擷取(DAQ)系統在工業應用中深受歡迎。許多DAQ應用中需要低功耗和超低雜訊,其中一個例子,是地震感測器相關應用,從地震資料中可以提取大量資訊,這些資訊可供廣泛應用,例如結構健康監測、地球物理研究、石油勘探甚至工業和家庭安全1

DAQ訊號鏈要求

地震檢波器是將地振動訊號轉換成電訊號的機電轉換裝置,適用於高解析度地震勘探。它們沿著陣列被植入地面,以用於測量地震波從非連續面(如層面)反射回來的時間,如圖1所示。

Figure 1. Seismic source and geophone array.
圖1.地震源和檢波器陣列。

要擷取地震檢波器的小輸出訊號,必須建構高靈敏度DAQ訊號鏈以進行資料分析。總均方根雜訊應為1.0 μV rms,有限的平坦低通頻寬範圍為300 Hz至400 Hz左右,同時訊號鏈應實現大約-120 dB的THD。由於地震儀器由電池供電,因此功耗應控制在約30 mW。

本文介紹兩種訊號鏈解決方案,其達成的目標要求如下:

  • PGIA增益:1、2、4、8、16
  • 整合可編程寬頻濾波器的ADC
  • 增益 = 1時(-3 dB頻寬為300 Hz至約400 Hz)的RTI雜訊為1.0 μV rms
  • THD:-120 dB(增益 = 1時)
  • CMRR > 100 dB(增益 = 1時)
  • 功耗(PGIA加ADC):33 mW
  • 第二通道用於自測

DAQ訊號鏈解決方案

在ADI網站上,並沒有一款精密ADC具備所有這些特性並能實現如此低的雜訊和THD,也沒有一款PGIA能提供如此低的雜訊和功耗。但是,ADI提供了卓越的精密放大器和精密ADC,可使用這些元件建構訊號鏈以達成目標。

為了建構低雜訊、低失真和低功耗PGIA,超低雜訊 ADA4084-2 或零漂移放大器 ADA4522-2 是不錯的選擇。

關於非常高精度的ADC,24位元Σ-Δ型ADC AD7768-1 或32位元SAR型ADC LTC2500-32 是最好的選擇。它們提供可配置的ODR,並整合平坦低通FIR濾波器,適合不同的DAQ應用。

地震訊號鏈解決方案:ADA4084-2 PGIA和AD7768-1

圖2顯示了整個訊號鏈。ADA4084-2、 ADG658和0.1%電阻可以建構低雜訊、低THD PGIA,提供最多八個不同的增益選項。AD7768-1是單通道、低功耗、-120 dB THD平台。它具有低漣波可編程FIR、DC至110.8 kHz數位濾波器,使用 LT6657 作為基準電壓源。

Figure 2. ADA4084-2 PGIA and AD7768-1 plus MCU filtering signal chain solution.
圖2.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1加MCU濾波訊號鏈解決方案

AD7768-1以1 kSPS的ODR運行時,均方根雜訊為1.76 μV rms;在低功耗模式下,功耗為10 mW。為了實現最終1.0 μV rms雜訊,它可以更高的ODR運行,例如中速模式下的16 kSPS。當AD7768-1以較高調變器頻率運行時,它具有較低的雜訊基準(如圖3所示)和較高的功耗。可以在MCU軟體中實現平坦低通FIR濾波器演算法,以消除較高頻寬雜訊,並將最終ODR降至1 kSPS。最終均方根雜訊將是3.55μV的大約四分之一,即0.9 μV。

Figure 3. Balancing the AD7768-1's ODR for targeted noise with MCU postfiltering.
圖3.利用MCU後置濾波平衡AD7768-1的ODR以達到目標雜訊性能。

作為一個例子,MCU軟體FIR濾波器可以按圖4所示建構,以平衡性能和群延遲。

地震訊號鏈解決方案:ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32

LTC2500-32是一款整合可配置數位濾波器的低雜訊、低功耗、高性能32位元SAR ADC。32位元數位濾波的低雜訊和低INL輸出,使它特別適合地震學和能源勘探應用。

高阻抗源應加以緩衝以使採集期間的建立時間最短,並優化切換電容輸入SAR ADC線性度。為獲得優質性能,應使用緩衝放大器來驅動LTC2500-32的類比輸入。必須設計一個分立PGIA電路來驅動LTC2500-32,以實現低雜訊和低THD(PGIA部分引入的)。

PGIA實現

PGIA電路的主要規格包括:

  • 電源:5 V(最小值)
  • AD7768-1有19.7 mW的功耗,因此PGIA電路的功耗應小於13.3 mW,才能滿足33 mW的功耗目標
  • 雜訊:增益 = 1時的雜訊為0.178 μV rms,約為AD7768-1 1.78 μV rms的1/10

有三類PGIA拓撲結構:

  • 整合PGIA
  • 整合儀錶放大器的分立PGIA
  • 具有運算放大器的分立PGIA

表1列出了ADI的數位PGIA。 LTC6915 的IQ最低。雜訊密度為50 nV/√Hz,430 Hz頻寬內的積分雜訊為1.036 μV rms,超過0.178 μV rms的目標值。因此,整合PGIA不是一個好的選擇。

表2列出了幾種儀錶放大器,包括300μA IQAD8422。它在430 Hz頻寬內的積分雜訊為1.645 μV rms,因此也不是一個好的選擇。

Figure 4. MCU post-FIR filter stages.
圖4.MCU後置FIR濾波器級
Figure 5. ADA4084-2 PGIA and LTC2500-32 signal chain solution.
圖5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32訊號鏈解決方案
Figure 6. LTC2500-32 flat pass-band filter noise for different downsampling factors.
圖6.不同降採樣係數下的LTC2500-32平坦通帶濾波器雜訊
表1.數位PGIA
產品型號 增益(最小值,單位:V/V) 增益(最大值,單位:V/V) IQ/放大器(最大值,單位:mA) VS 範圍(最小值,單位:V) VS 範圍(最大值,單位:V) 輸入電壓雜訊(典型值,單位: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.儀錶放大器
產品型號 增益(最小值,單位:V/V) 增益(最大值,單位:V/V) IQ/放大器(最大值) VS 範圍(最小值,單位:V) VS 範圍(最大值,單位:V) 輸入電壓雜訊(典型值,單位: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.低雜訊、低功耗運算放大器
元件 VOS(最大值,單位:µV) IBIAS(最大值) GBP (典型值,單位:MHz) 0.1 Hz至10 Hz VNOISE(典型值,單位:nV p-p) VNOISE 密度(典型值,單位:nV/√Hz) 電流雜訊密度(典型值,單位:fA/√Hz) IQ/放大器(典型值,單位:µA) VS範圍(最小值,單位:V) VS範圍(最大值,單位: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

雜訊模擬

可以使用LTspice®來模擬分立PGIA的雜訊性能。積分雜訊頻寬為430 Hz。表4顯示了兩個不同PGIA和AD7768-1的雜訊模擬結果。ADA4084解決方案具有更好的雜訊性能,尤其是在高增益時。

Figure 7. Block diagram of a discrete PGIA.
圖7.分立PGIA框圖

使用運算放大器建構分立PGIA

可編程增益儀錶放大器:找到最適合您的放大」 一文討論了各種整合PGIA,並為建構滿足特定要求的分立PGIA提供了很好的指導建議2。圖7顯示了分立PGIA電路的框圖。

可以選擇低電容和5 V電源的ADG659/ADG658。

對於運算放大器,IQ(每通道<1 mA)和雜訊(電壓雜訊密度<6 nV/√Hz)是關鍵規格。精密運算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是很好的選擇,其特性列於表3中。

對於增益電阻,選擇1.2 kΩ/300Ω/75Ω/25Ω電阻以實現1/4/16/64增益。電阻越大,雜訊可能會增加,而電阻越小,需要的功耗越多。如果需要其他增益配置,必須仔細選擇電阻以確保增益精度。

差分輸入ADC產生減法器的作用。ADC的CMRR大於100 dB,可滿足系統要求。

表4.雜訊模擬結果
  ADA4084 PGIA 和 AD7768-1 ADA4522 PGIA 和 AD7768-1
增益 = 1時430 Hz頻寬內的RTI積分雜訊(µV rms) 1.765 1.774
增益 = 4時430 Hz頻寬內的RTI積分雜訊(µV rms) 0.744 0.767
增益 = 16時430 Hz頻寬內的RTI積分雜訊(µV rms) 0.259 0.311
增益 = 64時430 Hz頻寬內的RTI積分雜訊(µV rms) 0.148 0.225

在迴路補償電路驅動LTC2500-32

AD7768-1整合了預充電放大器,可減輕驅動要求。對於SAR ADC,例如LTC2500-32,一般建議使用高速放大器作為驅動器。在此DAQ應用中,頻寬要求很低。為了驅動LTC2500-32,建議使用一個由精密放大器(ADA4084-2)構成的在迴路補償電路。圖8顯示了用於驅動LTC2500-32的在迴路補償PGIA。該PGIA具有如下特性:

R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3關鍵元件,用以提高在迴路補償電路的穩定性。

使用ADG659,A1/A0 = 00,增益 = 1,上方放大器的回饋路徑為放大器輸出 ➞ R22 ➞ R30 ➞ S1A ➞ DA ➞ R6 ➞ AMP —IN。

使用ADG659,A1/A0 = 11,增益 = 64,上方放大器的回饋路徑為放大器輸出 ➞ R22 ➞ R8 ➞ R10 ➞ R12 ➞ S4A ➞ DA ➞ R6 ➞ AMP —IN。

PGIA連接到LTC2500-32EVB以驗證性能。試驗不同的被動元件(R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3)值,以在不同增益(1/4/16/64)下實現更好的THD和雜訊性能。最終元件值為:R22/R27 = 100 Ω,C14/C6 = 1 nF,R30/R31 = 1.2 kΩ,C3/C5 = 0.22 µF。PGIA以下的增益為1時的實測3 dB頻寬約為16 kHz。

Figure 8. A PGIA to drive the LTC2500-32.
圖8.PGIA驅動LTC2500-32

試驗台評估設定

為了測試雜訊、THD和CMRR性能,將分立ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板做成完整解決方案。該解決方案與EVAL-AD7768-1評估板相容,因而可以與控制板SDP-H1介面。因此,可以使用EVAL-AD7768FMCZ軟體GUI來收集和分析資料。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板設計為備選的完整解決方案。電路板與SDP-H1控制板介面,並由LTC2500-32FMCZ軟體GUI控制。

兩個板的PGIA增益均被設計為1/2/4/8/16,這與圖8所示不同。表5顯示了這兩個板的評估結果。

Figure 9. ADA4084-2 PGIA and AD7768-1 evaluation board solution.
圖9.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1評估板解決方案
表5.訊號鏈解決方案測試結果
  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時的RTI雜訊(μV rms) 3.718 0.868 0.82
增益 = 2時的RTI雜訊(μV rms) 1.996 0.464 0.42
增益 = 4時的RTI雜訊(μV rms) 1.217 0.286 0.3
增益 = 8時的RTI雜訊(μV rms) 0.909 0.208 0.24
增益 = 16時的RTI雜訊(μV rms) 0.808 0.186 0.19
增益 = 1時的THD (dB) −125 −125 −122
增益 = 2時的THD (dB) −125 −125 −119
增益 = 4時的THD (dB) −124 −124 −118
增益 = 8時的THD (dB) −120 −120 −117
增益 = 16時的THD (dB) −115 −115 −115
增益 = 1時的CMRR (dB) 131 131 114
增益 = 4時的CMRR (dB) 117 117 121
增益 = 16時的CMRR (dB) 120 120 126
Pd典型值(mW) 31.3 31.1 33.2
Figure 10. ADA4084-2 PGIA and LTC2500-32 board FFT for gain 1.
圖10.增益為1時的ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板FFT

結論

針對地震學和能源勘探應用,當要設計非常低雜訊和低功耗的DAQ解決方案時,可以運用低雜訊、低THD的精密放大器設計分立PGIA,以驅動高解析度精密ADC。這種解決方案可根據功耗要求彈性平衡雜訊、THD和ODR。

  • LTC2500-32的低雜訊性能加上ADA4084-2和LTC2500-32的優點,使得解決方案表現出優質雜訊性能,無需MCU進一步濾波處理。
  • 在PGIA增益 = 1時,ADA4522-2和ADA4084-2都具備良好的雜訊性能。雜訊性能約為0.8 µV rms。
  • ADA4084-2在高增益時具有更好的雜訊性能。在增益 = 16時,ADA4084-2和LTC2500-32的雜訊為0.19 μV rms,比ADA4522-2的0.25 μV rms更好。
  • 對於AD7768-1,借助MCU濾波,ADA4084-2和AD7768-1解決方案表現出與ADA4084-2和LTC2500-32解決方案相似的雜訊性能。

本文提供的資料擷取解決方案要求低雜訊和低功耗,而頻寬有限。其他DAQ應用所具備的性能要求則會有差異。如果低功耗不是必需的選項,那麼建議可以使用以下的運算放大器來建構PGIA:

  • 最低雜訊:可以考慮LT1124和LT1128以獲得優質雜訊性能。
  • 最低漂移:新型零漂移放大器ADA4523具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的雜訊特性。
  • 最低偏置電流:如果感測器的輸出電阻較高,建議使用ADA4625-1。
  • 較高頻寬:當建構高頻寬DAQ應用中的高頻寬、低雜訊PGIA時,ADA4807、LTC6226和LTC6228是很好的解決方案。

在雜訊和功耗不重要,但要求較小PCB面積和高整合度的DAQ應用中,ADI的新型整合PGIA ADA4254和LTC6373也是很好的選擇。ADA4254是一款零漂移、高電壓、1/16至~176增益的穩固PGIA,而LTC6373是一款25 pA IBIAS、36 V、0.25至~16增益、低THD PGIA。

表6.精密運算放大器選型表
產品型號 VOS (最大值,單位:µV) IBIAS (最大值) GBP (典型值,單位:MHz) 0.1 Hz至10 Hz VNOISE(典型值,單位:nV p-p) VNOISE 密度典型值 電流雜訊密度典型值 IQ/放大器典型值 VS 範圍(最小值,單位:V) VS 範圍(最大值,單位: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

參考電路

1地震檢波器。 ScienceDirect.

2esse Santos、Angelo Nikko Catapang和Erbe D. Reyta。 「瞭解地震訊號檢測網路的基礎知識。」 類比對話,2019年12月。

3Kristina Fortunado。「可編程增益儀錶放大器:找到最適合您的放大器。」 類比對話,2018年12月。