高阻抗高CMR、±10V模擬前端信號調理電路圖

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是一個(gè)完整的模擬前端，它利用一個(gè)16位差分輸入PulSAR® ADC對±10 V工業(yè)級信號進(jìn)行數字轉換。該電路僅利用兩個(gè)模擬器件，來(lái)提供一路具有高共模抑制（CMR）性能的高阻抗儀表放大器輸入、電平轉換、衰減和差分轉換功能。由于具有高集成度，該電路可節省印刷電路板空間，為常見(jiàn)的工業(yè)應用提供高性?xún)r(jià)比解決方案。

　　在過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統中，典型的信號電平最高可達±10 V。而來(lái)自熱電偶和稱(chēng)重傳感器等傳感器的信號輸入則較小，因此常常會(huì )遇到大共模電壓擺幅，這就需要靈活的模擬輸入，它能以高共模抑制性能處理大小差分信號，同時(shí)具有高阻抗輸入。

　　圖1. 適合工業(yè)過(guò)程控制應用的高性能模擬前端（原理示意圖：所有連接和去耦均未顯示）

　　用現代低壓ADC處理工業(yè)級信號時(shí)，必須進(jìn)行衰減和電平轉換。此外，全差分輸入ADC具有以下優(yōu)勢：良好的共模抑制性能，更少的二階失真產(chǎn)物，以及簡(jiǎn)化的直流調整算法。因此，工業(yè)信號需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步調理才能與差分輸入ADC正確接口。

　　圖1所示電路是一個(gè)完整且具有高集成度的模擬前端工業(yè)級信號調理器，僅使用兩個(gè)有源器件來(lái)驅動(dòng)差分輸入16位PulSAR ADC AD7687 ：精密儀表放大器（片內集成兩個(gè)輔助運算放大器） AD8295 precision in-amp （with two on-chip auxiliary op amps） 和電平轉換器/ADC驅動(dòng)器AD8275 。低噪聲2.5V XFET®基準電壓源 ADR431 為ADC提供基準電壓。

　　AD8295是一款精密儀表放大器，片內集成兩個(gè)非專(zhuān)用信號處理放大器和兩個(gè)精密匹配的20 kΩ電阻，采用4 mm &TImes; 4 mm封裝。

　　AD8275是一款G = 0.2差動(dòng)放大器，可以用來(lái)衰減±10 V工業(yè)信號，衰減后的信號可以與單電源低壓ADC輕松接口。AD8275在該電路中執行衰減和電平轉換功能，可以保持良好的CMR，無(wú)需任何外部元件。

　　AD7687是一款16位逐次逼近型ADC，采用2.3 V至5.5 V的單電源供電。它采用差分輸入，具有良好的CMR，并且能夠簡(jiǎn)化SAR ADC的使用。

　　電路描述

　　該電路由用作模擬前端電路的AD8295和AD8275、ADC AD7687以及基準電壓源ADR431組成，只需少量外部元件進(jìn)行去耦等。

　　儀表放大器（集成于 AD8295）

　　AD8295中集成的儀表放大器（IA）的工作條件設置為1倍的增益。如果應用需要更高的增益，可以增加一個(gè)適當的外部增益電阻。AD8295的電源為±15 V，完全支持±10 V工業(yè)輸入信號電平。儀表放大器的基準電壓引腳接地，因此AD8295的輸出以地為基準。

　　差動(dòng)放大器/衰減器（ AD8275）

　　AD8295儀表放大器輸出單端信號，最大幅度為±10 V。必須將該信號衰減并轉換到適當的電平，以便驅動(dòng)AD7687 ADC。如果在A(yíng)D8295的輸出端直接使用一個(gè)簡(jiǎn)單的阻性電平衰減器級，將無(wú)法提供差分輸出來(lái)驅動(dòng)ADC。AD8275 （G = 0.2）電平轉換器是一個(gè)差動(dòng)放大器，內置精密激光調整匹配薄膜電阻，可確保低增益誤差、低增益漂移（最大1 ppm/°C）和高共模抑制（80 dB）特性。AD8275具有+3.3 V至+15 V的寬電源電壓范圍，采用+5 V單電源供電時(shí)，輸入電壓范圍寬達−12.3 V至+12 V。

　　圖1所示電路使用一個(gè)平衡差動(dòng)放大器，它由AD8275 （U2）和AD8295中的一個(gè)非專(zhuān)用運放（U1-C）組成。此運放（U1-C）用于反轉AD8275的正輸出（從而提供互補的負輸出），并且驅動(dòng) AD8275的REF1和REF2引腳。差分輸出的輸出共模電壓（VCOM = 1.25 V）由連接到2.5 V基準電壓源的10 kΩ外部電阻分壓器產(chǎn)生，并且應用于U1-C的同相輸入。描述電路操作的方程式如下：

　　VOUTP + VOUTN = 2 &TImes; VCOM

　　VOUTP = VOUTN + 0.2 &TImes; VIN

　　VOUTP = VCOM + 0.1 &TImes; VIN

　　VOUTN = VCOM − 0.1 × VIN

　　根據以上方程式，對于±10 V輸入電壓，ADC的各輸入電壓（VOPTP和VOUTN）擺幅為0.25 V至2.25 V，彼此180°反相，共模電壓為1.25 V。因此，差分信號使用ADC可用差分輸入范圍5 V中的4 V。

　　ADR431是2.5 V XFET系列基準電壓源，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。ADR431驅動(dòng)電阻分壓器和AD7687 ADC的基準電壓輸入。ADR431輸出由AD8295中的另一個(gè)非專(zhuān)用運放（U1-B）緩沖，并且驅動(dòng)AD7687的電源（VDD）。由兩個(gè)33 Ω電阻和一個(gè)1.5 nF電容組成的一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器充當AD7687的3 MHz截止抗混疊和降噪濾波器。

　　布局布線(xiàn)考慮

　　該電路或任何高速/高分辨率電路的性能都高度依賴(lài)于適當的PCB布局，包括但不限于電源旁路、信號路由以及適當的電源層和接地層。有關(guān)PCB布局的詳情，請參見(jiàn)指南 Tutorial MT-031、 MT-101和“高速印刷電路板布局實(shí)用指南”一文。

　　圖2. Kaiser窗口（參數 = 20）、20 kHz輸入、250 kSPS采樣速率下的FFT

　　系統性能

　　交流性能在系統級進(jìn)行測試，AD7687的采樣速率為250 kSPS。圖2所示為5 V p-p 20 kHz輸入時(shí)的FFT測試結果。圖3所示為10 V DC輸入時(shí)的ADC輸出直方圖。

　　評估軟件產(chǎn)生的結果如下：

　　SNR = 85.531 dBFS （不含諧波）

　　信納比（SINAD） = 81.432 dBFS.

　　SFDR = 77.403 dBFS.

　　THD = –76.479 dBFS

　　圖3. 10 V DC輸入時(shí)的直方圖，15，000個(gè)樣本