为什么在精密信号链中电源选择很重要？

作者： Bonnie Baker

当设计模拟电路时，我们似乎会条件反射地深入研究电路中每个元器件的规格细节。这让人感觉很有激情，但最终的设计可能会受到功率因素的影响。本文说明了出现这种问题的原因，以及避免发生这种错误的方法。

如果您正在开发超高精度的电路，并要对其进行优化以实现低延迟和快速建立，那么似乎就已拿到了电路设计行动指令。这时需要为这个高精度电路选择那些能够表现出低噪声、较高速度的元器件，以保证延时得到控制。图 1 就是适合这种类型电路的框图。它包含了许多通过隔离栅传递模拟信号的元器件。

图 1：一个具有低延迟测量值的自适应电压/电流测量信号链。（图片来源：Analog Devices）

鉴于这种方案的要求，市场上很快就出现了这种精密元器件细节说明。Analog Devices 的 ADG5421F 开关是一个具有 ±60 伏故障保护和检测能力的 11 欧姆 (Ω) RON、双刀单掷 (SPST) 开关。当两个输入之间的差值超过电源时，该器件就会识别出来，并产生一个错误信息。

增益级是 Analog Devices LTC6373，这是一个 36 伏的全差分、可编程增益仪表放大器。LTC6373 会将输入传感器信号增益放大至随后相应模数转换器 (ADC) 的电平。滤波器是一个单极分立电阻-电容 (R-C) 电路。这种滤波器执行抗混叠功能，以衰减较高频率的信号。

模数转换电路始于 Analog Devices ADA4896-2，这是一个双路、低功耗、轨至轨输出放大器。它充当 ADC 的激励放大器。接下来是 Analog Devices 的 AD4630-24 24 位、每秒 2 兆采样 (MSPS) 、双通道逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，它能以零延迟的方式进行高精度转换。

ADC 的电压基准部分由 Analog Devices 的 LTC6655LN 和 Analog Devices 的 ADA4523-1BCPZ 组成，前者是一个具有 5 V 固定电压输出的串行电压基准，后者是一个零漂移放大器，在电压基准与 ADA4523 基准输入引脚之间形成一个缓冲。

最后，是 Analog Devices 的 ADuM14xE 数字隔离器，能对电路进行隔离和进一步保护。

超越精密规格

停一下。现在想象一下，您现在就是您所在小组的模拟设计员。祝贺您：您已经进入了工程师的精英阶层，尽管仍需要您不断进行学习。考虑到这一点，我相信您会允许我提供一些建议，这些建议您以前可能没有听过。首先，把您的模拟教程扔到一边，考虑用一种不同的方式来解决一些基本问题，首先是电源系统、静态电流、噪声和精度。

在我多年的模拟设计历程中，这种技术往往在设计周期结束时才会想到。当然，我经历了那种痛苦的重新进行设计和完善的麻烦。现在您不必经历这种痛苦了。

而且很明显的是，行业趋势是向着更低功率耗散和更小几何形状发展的。幸运的是，对我们来说，目前为止我们还没有深入这种特定的设计，否则我们无法退一步看看电路的基本参数：供电电压、静态电流和电源抑制比 (PSRR)。

我所建议的改变是，将电源解决方案作为信号链设计的一个关键价值主张来定制，只要不高于精度目标，这种思路就与精度目标同等。现在的设计步骤和考虑如下：

1、创建您的信号链框图。
2、在图中选择可能的元件。
3、定义：
        · 供电电压
        · 供电电流
        · PSRR

如果您早期考虑电源规格时未与您的设计方案保持一致，那么设计复杂性就会大幅增加。这是由于增加了复杂的背景电源设计，随之而来的是，会由于元件的静态电流而导致功耗增加。结果如何？如果设计总体上不令人满意，那么就可能要返工。

因此，让我们看看供电电压、电流和 PSRR 预算。

设计时要考虑到功率

开关（或保护）和增益（或可编程仪表放大器）级需要更广泛的供电电压范围，如 ±15 伏，以便为输入传感器提供充足的信号范围。ADC 驱动器、基准、基准驱动器和隔离块需要平均电源范围，如 ±5 伏和 +5.5 伏，以适应信号要求。最后，ADC 与控制器的数字接口需要较低的电压，如 +1.8 伏，以保持低的整体功耗（表 1）。

表 1：各个设备功率要求。（表格来源：Analog Devices，由 Bonnie Baker 修改（针对电源））

根据表 1，有三个正的模拟电源（15 伏、5.5 伏和 5 伏），三个正的数字电源（5 伏、5 伏和 1.8 伏），以及两个负的模拟电源（-15 伏和 -5 伏）。表 1 中的数字指出了模拟和数字电源要求。ADA4896-2 在 PSRR 系统图中占主导地位，产生的静态功率为 487 毫瓦 (mW)：在最佳性能下的最小功率。

结语

如图所示，开关、放大器和 24 位 ADC（如 Analog Devices AD4630-24）的正确组合可以帮助您创建一个超高精度的系统，并优化了快速建立和低延迟特征。然而，为了实现最佳的整体性能，必须充分考虑到功率。ADG5421F、LTC6373、ADA4896-2、AD4630-24、LTC6655LN、ADA4523 和 ADuM14xE 结合在一起，可以形成一个可调的电压/电流测量信号链，既满足了低延迟测量的应用要求，同时最大限度地降低了功耗，并形成一个理想的仪器仪表解决方案。