精密信号调理基础知识

！
失调很大且不断变化

尤其是使用长引线时 高噪声环境
+ in amp –
RF整流
RF调制到直流成分中
输入引脚存在天线效应
+ in amp –
高频运算放大器模型
RF
PAD
+V
PAD
杂散电容
RG
PAD TRACE VIA PAD PAD TRACE PAD PAD VIA PAD PAD RL PAD
R1 99k VOUT R2 1k RGROUND 0.01 V 18V G2
G1

ADA4528-1技术规格：

失调电压：2.5 μV；失调漂移：0.015 μV/°C；Isy= 1.8mA

在负载端，信号VOUT相对于本地地G2测量。


1.8mA ISUPPLY在G1与G2之间流动，从而在0.01欧姆地阻抗上产生18V地电压误差。
输入电压范围
务必检查IVR
相对于两个电源轨，放大器均需要 1.2V的裕量
对于+30V和GND工作电源，IVR = (1.2V, 28.8V)
输出摆幅
记住： 输出电压永远无法达到电源轨
预期输出 = 4 – 28V
负载是多少？
负载
*具体说明请参阅AD8657数据手册
反馈电阻影响放大器看到的总负载
问题：长走线电阻ADC
5cm
SIGNAL SOURCE
0.25mm (10 mils) wide, 1 oz. copper PCB trace Assume ground path resistance negligible
16-BIT ADC, RIN = 5k
长走线电阻产生的压降大于16位ADC的1
IB – 输入电流 [~pA 至 mA] Vos – 输入端电压之差 [uV 至 mV] IOS – + IB 与 – IB 之差 [~IB /10] ZIN – 输入阻抗 [MW 至 GW] ZOUT – 输出阻抗 [<1W] Avo – 开环增益 [V/mV] BW – 有限带宽 [KHz 至 GHz]
V1
-
+ – – + – +
提高 V1 和 V2
当 V1 和 V2 变得过高时， 输出会变小
V2
+
最大输出电压取决于最大共模电压
典型仪表放大器具有
-VOUT/2 + VCM
两级：
第一级放大差分电压
-
第二级移除共模电压
+ – – + – +
中间的节点同时具有
VOUT
VCM
共模和差分电压
VO
PAD
VI
TRACE PAD
杂散电感
-V
近似走线电感
L
W
所有尺寸的单位均为mm
H
带状线电感 = 0.0002L
W+H H ln ( W+H ) + 0.2235 ( L ) + 0.5
2L
1cm 的 0.25 mm PC 走线具有 9.59 nH 的电感 (H = 0.038mm ( 1 盎司铜) , W = 0.25mm, L = 1cm) @10MHz ZL =1.8 欧姆
u 多数常见 PCB 采用 E = 4.7 的 1.5mm 玻璃 纤维环氧树脂材料
u 接地层上 PC 走线的电容约为 2.8pF/cm
降低电容 1) 增加电路板厚度 2) 减小走线面积 3) 移除接地层
可能的解决方案
使用RF滤波器
缩短天线
双绞线

仪表放大器选择
屏蔽

AD8657/AD8659 18V RRIO、微功耗、精密CMOS运算放大器
LSB (uV) (满量程 = 5V) 305 76
放大器噪声降低ADC SNR
放大器引起的SNR性能下降净值（单位dB）为
AD7671（16位、28 uVrms噪声、9.6 MHz带宽、0-5V输入、G=1）
放大器噪声 40 20 10 1 SNRLoss 17 4.6 1.7 0.02
信号调理模块：同相放大
千片订量报价 参见网站
AD8597单通道 SOIC-8 & LFCSP-8(3x3) 已发布
AD8599双通道 SOIC 已发布
ADA4528-x 全球最精确的运算放大器
器
低噪声零漂移放大
Vos TCVos2.5 V max 0.015 V/º C max
无 1/f 噪声
5.6nV/Hz
• DigiTrim / 封装内调整 • 激光调整
•更高精度、小型塑料封装 •高精度CMOS产品
• 微型封装 • WLCSP/凸点裸片 • 低应力聚酰亚胺
•更高精度、小型塑料封装 •以小空间提供更大的使用灵活性 •以小尺寸实现更强大的功能
测试技 术
• 带测试 • 带上 TCVOS
• 更高精度，改善失调和 TCVOS 性能
ADA4528-1单通道已发布
封装：MSOP-8、LFCSP-8 (3x3) 报价：$1.15/片（千片订量）
ADA4528-2双通道开发中
封装：MSOP-8、LFCSP-8 (3x3) 样片供货：现在
小公共地电流会降低精密放大器的精度
+5V
U1 ADA4528-1
VIN 5mV FS ISUPPLY 1.8mA
+
VOUT/2 + VCM
示例：AD8231 (G = 4)
5V 3.5V 4–2=2
-
+ –
4V 共
模
±2V 差分
– +
4.5V
+
– +
AD8231
4+2=6.0
采用 5V 电源， 器件不能 输出 6V
示例：AD8231
5V 3.5V
+ –
2V
错误 答案
– + – +
2.9V
AD8231
4.5V
+
4.9V
GAIN = 4
受限于 5V电源
以上问题的解决方案
VCM
降低增益
提高电源电压 使用其它仪表放大器
5V
Ideal Rail to Rail
-5V
5V
VOUT
AD8221
检查数据手册中的“钻 石图”以了解更多信息
-5V
AD8220
另一个仪表放大器问题
症状：
失调大于数据手册给出的值
AD8597/9 1 nV/rtHz超低噪声
主要优势 低噪声、高精度

树形菜单
低电压噪声：1 nV/ Hz（1kHz时），76 nV（0.1 Hz 至 1 Hz） 低电流噪声：1.5 pA/√Hz 单位增益稳定、50 mA高输出驱动 +/-5V 至 +/-15V 工作电源
OUT A - IN A + IN A -V
ADI优势
全球最精确的运算放大器、最低电压噪声零漂移运算放大器
Vos
TCVos
0.015 V/º C （最
Isy/放大器
CMRR
带宽 4 MHz
压摆率 0.4 V/s
温度范围
工作电源 2.2V至5.5V
2.5 V （最 大值）

大值）
1.8 mA（最 大值）
115 dB（最 小值）

-40°C至 125°C
传感器 调整/补偿
收发器定位器
无线电 收发器
压力
用户界面
电缆、显示器等
||
无信号调理器时的LSB大小
最大 6mV 输出 12 位，LSB =1.5uV
CMOS开关电容ADC的典型无缓冲单端输入瞬态
采样锁定
注意：数值取50源阻抗
信号调理模块
放大
电平转换 滤波 缓冲 ……
可以是仪表放大器、运算放大器、差动放大器…
全球领先的高性能信号处理解决方案供应商
精密信号调理基础知识：
如何避免产生预料外的误差源
研讨会目标
确定若干基本前端信号调理模块的误差源，并提供一些较佳做法建
议。
注意这些误差源，采取最佳做法，防止浪费资金，加快开发和上市
时间。
工业和医疗应用
温度
电源 嵌入式 处理 信号 调理 转换
气体/ 化学 可见 光
1 2 3
AD8599
8 7 6 5
+V OUT B - IN B + IN B
TOP VIEW (Not to Scale) 4
噪声 1 nV/rtHz
THD+N -105 dB
Vos 120 V （最 大值）
CMRR 120 dB
带宽 10 MHz
压摆率 16 V/s
温度范围 -40°C 至 85°C
Vout (1
Vin +
R2
R2 )(Vin ) R1
Vout
R1
易犯的错误
利用理想放大器进行设计
不阅读数据手册
不了解数据手册
谈话中经常使用“可能”
运算放大器误差源
输入阻抗(ZIN) 理想 输出阻抗 (ZOUT)
-
+
输入偏置电流(Ib)

-+
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输入失调电流(Ios) 失调电压(Vos)
RLoad,eff
= 10KΩ || (110Ω + 330Ω) = 421.5 Ω !
超过短路电流
RLoad,eff
= 421.5 Ω 负载电流 = 66.5mA!
压差
易犯的错误：
不阅读数据手册
不了解数据手册
仪表放大器示例
仪表放大器问题：
症状：共模电压提高时，增益下降 仪表放大器的增益不对！
Vin
1 Vout Vcm Vs Vout (Vin (Vos IB * Rs en )) Avo CMRR PSRR
LOOP _ GAIN
Av 0
1
由于 en 须乘以

因而得名“噪声增益”
+
Vout

(Vin Vid )
Vid
-
1
Rs
Vout
ADI 放大器优化
主要特性 微功耗：20 µA 单电源或双电源：2.7V至18V 低失调电压：<350µV 低IBIAS <100pA 低噪声：<50nV/√Hz 集成EMI滤波器 应用

LD20
4-20 mA电流环路发送器 高阻抗源和传感器 电流监控和检测 多极滤波器 远程和无线传感器 低功耗跨导放大器
标准铜PCB（薄层电阻）
R= rZ XY r = 电阻率 R Z Y X 薄层电阻计算 1 盎司铜导线： r = 1.724 X 10–6 cm, Y = 0.0036cm R = 0.48 Z m X Z = 平方数 X R = 1 平方 (Z=X) 的薄层电阻 = 0.48m /平方
降低电感 1) 使用接地层 2) 尽量缩短长度：将长度缩短一半可使电感降低44% 3) 将宽度增加一倍只会使电感下降11%
走线电容
A d
0.00885 Er A C= pF d
C
kA 11.3d
A = 板面积，单位 mm d = 板间距，单位 mm
2
E r = 相对于空气的介电常数
K = 相对介电常数
5V、10V的LSB大小
LSB weight for ADC
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 6 8 10 # of bits LSB size for VFS=10V LSB size for VFS=5V 12 14 16
LSB Value (mV)
分辨率 14 16
LSB (uV) (满量程= 10V) 610 152(0.0015%)
基于工艺创新
先进的工艺技术
双极性
JFET
CMOS iCMOS iPolar
– 高性能、低噪声CMOS工艺
- 高性能、低噪声双极性工艺
LD20增强CMOS
精密放大器优化技术：
优势
设计技 术 调整技 术 封装技 术
• 过压保护 • 零交越失真 • 零漂移运算放大器 • 偏置消除电路
•更鲁棒 •更高性能放大器
VOS ISY 22 µA（最大 值） 噪声 @ 1k 50 nV/√Hz 带宽 200 kHz 电源 2.7V至18V
4-20 mA电流环路发送器
IBIAS 100 pA（最 大值）
温度 -40°C至125°C
IO 10 mA
350 µV（最 大值）
“真正的”同相放大器
Vin Vid V1
Vin + Vout
R2
Vid
-
R1 V1 * Vout R1 R2
V1
R1
I1
R2 Vout (1 )(Vin Vid ) R1
电路的 DC+AC 误差
R
2
Vout Vicm Vs Vid Vos IB * Rs en Avo CMRR PSRR
大约是预期的运放典型输入失调的7倍！
通过正确接地降低误差
+Vs
高电流电路
信号 信号源 ADC
i
G1 V
Z I G2
变更后， 这成为 “星型”接地


任何流过公共地阻抗的电流都会引起误差
ΔV = (I + i) * Z

Z：G1 与 G2 之间的阻抗 I：信号相关电流。 i：任何非信号相关电流的影响。

LSB：
走线电阻约为0.1。 相应的压降是0.1/5k (~0.0019%)的增益误差， 大于1LSB（16位为0.0015%）。
在Analog.com上搜索CN-0216
易犯的错误：
不阅读数据手册
不了解数据手册
不稳定的输出
有时能得到正确的输出，但有时得不到
… 怎么回事？
预期输出 = 4 – 28V