用于地震学和能源勘探应用的低噪声、低功耗DAQ解决方案

Low Noise and Low Power DAQ Solution for Seismology and Energy Exploration Applications

作者：ADI 公司   David Guo，产品应用工程师，Steven Xie，产品应用工程师

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

ADI公司的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。为获得最佳性能，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 IQ的AD8422。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

产品型号增益增益IQ/放大器VS范围VS范围输入电压噪声
（最小值，单位：V/V）（最大值，单位：V/V）（最大值，单位：mA）（最小值，单位：V）（最大值，单位：V）（典型值，单位：nV/√Hz）
LTC6915140961.62.71150
AD85572813001.82.75.532
AD85567012802.755.532
AD82501104.5103018
AD8251184.5103418

表2.仪表放大器

产品型号增益增益IQ/放大器VS范围VS范围输入电压噪声
（最小值，单位：V/V）（最大值，单位：V/V）（最大值）（最小值，单位：V）（最大值，单位：V）（典型值，单位：nV/√Hz）
AD842211000300 μA4.6368
LT1168110,000530 μA4.64010
AD822011000750 μA4.53614
AD822411000800 μA4.53614
AD8221110001 mA4.6368

表3.低噪声、低功耗运算放大器

器件VOSIBIASGBP0.1 Hz至10 Hz VNOISEVNOISE密度电流噪声密度IQ/放大器VS范围VS范围
（最大值，单位：μV）（最大值）（典型值，单位：MHz）（典型值，单位：nV p-p）（典型值，单位：nV/√Hz）（典型值，单位：fA/√Hz）（典型值，单位：μA）（最小值，单位：V）（最大值，单位：V）
ADA4522-25150 pA2.71175.88008304.555
ADA4084-2100250 nA15.91003.9550625330


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。

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。

表4.噪声仿真结果

　ADA4084  PGIA和AD7768-1ADA4522  PGIA和AD7768-1
增益 =  1时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(μV rms)1.7651.774
增益 =  4时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(μV rms)0.7440.767
增益 =  16时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(μV rms)0.2590.311
增益 =  64时430 Hz带宽内的RTI积分噪声(μV rms)0.1480.225

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、AD7768-1ADA4084-2、AD7768-1ADA4084-2、LTC2500-32
（中速模式，FMOD  = 4 MHz，ODR = 16 ksps）+（中速模式，FMOD = 4 MHz，ODR = 16 kSPS)+  MCU FIR和DEC至ODR = 16 k/16 = 1 kSPSADC
　　MCLK = 1 MHz
增益 =  1时的RTI噪声(μV rms)3.7180.8680.82
增益 =  2时的RTI噪声(μV rms)1.9960.4640.42
增益 =  4时的RTI噪声(μV rms)1.2170.2860.3
增益 =  8时的RTI噪声(μV rms)0.9090.2080.24
增益 =  16时的RTI噪声(μV rms)0.8080.1860.19
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)131131114
增益 =  4时的CMRR (dB)117117121
增益 =  16时的CMRR (dB)120120126
Pd典型值(mW)31.331.333.2


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最佳噪声性能，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以获得最佳噪声性能。
►        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  IBIAS  GBP  0.1 Hz至10 Hz VNOISE  VNOISE密度  电流噪声密度  IQ/放大器  VS范围  VS范围
  （最大值，单位：μV）  （最大值）  （典型值，单位：MHz）  （典型值，单位：nV p-p）  典型值  典型值  典型值  （最小值，单位：V）  （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

参考资料
1地震检波器。ScienceDirect。

2Jesse 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。

作者简介

David Guo是ADI公司线性产品部门的产品应用工程师。他于2007年加入ADI公司中国应用中心，担任应用工程师，后于2011年6月转任精密放大器部门担任应用工程师。自2013年1月起，David担任ADI公司线性产品部门的应用工程师。他负责精密放大器、仪表放大器、高速放大器、电流检测放大器、乘法器、基准电压源和RMS-DC等产品的技术支持工作。David拥有北京理工大学机电工程学士学位和硕士学位。联系方式：david.guo@analog.com。

Steven Xie于2011年3月加入ADI北京分公司，担任ADI中国设计中心的产品应用工程师。他负责中国市场SAR型ADC产品的技术支持工作。在此之前，他曾在无线通信基站领域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。联系方式：steven.xie@analog.com。