模拟前端设计指南

大家好 欢迎大家参加TI公益研讨会 我是TI Century FAE Igor An 主要负责数字电源和电机控制 相关算法开发 今天我将给大家介绍 TI在电压和电流的采样中的 相关采样技术 主要是 利用不同类型的ADC 对电压电流进行采样 通过陈述章节的介绍 我们对SAR ADC和 Delta Sigma ADC 有了基本的认识 同时我们比较了SAR ADC 和Delta Sigma ADC的优缺点 那了解了这两种ADC的 实现方式 那在我们的使用中 我们如何去设计我们外围电路 去与这两种ADC去匹配 能够把这两种ADC的特性 发挥到最好 使我们采样信号的这个信号质量 得到进一步提升 那这一章节 我们会着重介绍如何去设计 这两种ADC的模拟前端的电路 在谈到这个模拟前端电路之前 我们先想引入一个概念 就这个 Aliasing 这个其实就是 我们的频率混叠的一种概念 那从这个图上我们举了一个例子 就是 红色的是一个900K的一个信号 那这个蓝色的是我们 通过ADC数字化 读取以后看到的这个信号 那它是100K 那就是说我们的采样频率 我是用一兆的频率去采 采完了之后 我看到这个900K的信号 实际上是一个100K的信号 那这个的原理 那我们同频域的特 频域上的这个频域图形我们去分析 就是我的采样频率是一兆 那我的实际的有效 实际的 这个干扰信号吧 它是900K 那我们 根据奈奎斯特香农采样定理 那其实我们这个900K 是不会直接采进来的 因为它已经 不在我这个二分之FS区域之内了 但是我同样的会在我的采样里面 看到一个100K的信号 那它是这个900K 在我采样范围之内的 一个折射或者体现 但它的频率 已经不是它原始的900K的频率了 我这里看到的它实际上是100K 那这个100K的得来 其实就是我的采样频率 一兆减去它的实际的频率900K 所以在我们很多实际应用中 我会看到我的采样信号里面 叠加了另外一个信号 那我们认为 很多时候我们去找这个信号源 或者是排除硬件软件上的问题的时候 我们去看到了一个100K信号 我就会去板子上去找 这个100K的信号 到底是哪里产生的 同时分析 但实际上通过这里 我们知道它 我们看到的数字化的里面 是100K的 实际上的板子上的真实的信号 它是900K的 所以这个就是频率混叠的概念 它将一个在我们采样范围之外的信号 折射到我们采样范围之内 同时它的频率是满足于 我的采样频率减去它真实频率 这是我看到的一个 我们认为只是一个 不准确的或者我们叫它一个假信号 那为了防止 这种频率混叠的现象的发生 我们在运用SAR ADC 或Delta Sigma ADC 进行采样的时候 需要配合一些外围电路 将这种频率混叠 这些频率的信号 把它进行一定滤除 防止它进入我们的采样区 影响我们的采样有效信号 对于SAR来说 由于它内部并没有这个数字化滤波 所以为了避免混叠性现象的这些频率 就把他们滤除掉或需要相对复杂的 这些外围的模拟电路 那可能是多接的这个模拟滤波器 对于Delta Sigma来说 由于它内部具有一定的数字滤波 所以我外围的这个防混叠的滤波器 相对就比较简单 下面我会具体的看一下 每一种防混叠滤波器 或者外围的模拟前端应该怎样设计 对于Delta Sigma来说 我们从频域的信号上去分析一下 它的防混叠滤波器应该设计成什么样 比如说我们有这样一些信号 就是在频域上面的 这是F mod 其实是我们的采样频率 这个1/2F mod以内是我们能够采到的 这个蓝色的 是我们想要去采的这个信号频率 我去设计对Delta Sigma设计一个数字滤波 假设我的数字滤波的截止频率在这里 那么理论上来讲 在这个数字滤波以外的这些信号 到这个1/2F mod之间的这个信号 我全都可以把它滤掉 如果这个绿色的 之前这个绿色的 也是我们不希望的一个噪声信号 它就会被这个数字化滤波把它滤除掉 我在采样中并不会看到绿色的这个信号 但是这个红色的信号 由于它非常靠近F mode 它是满足F mode减去它频率 本身这个频率它正好落在 我这个数字滤波器的带宽之内 所以它不会被我数字滤波器滤掉 反而是会进入到我的采样子里面 我的采样信息里面会包含这些干扰 那么如何去把它们滤除掉呢 就把这些信息力除掉 我们就从整个这个平移特性上去看 如果在模拟电路中 我加入一个带宽是这种波形的 它的截止频率恰好是等于 我这个数字滤波截止频率 用F mode减去数字滤波截止频率的 这个点的时候 在这个点以外的这些频率信号 都被我滤除掉了 所以这样的话 我整个这个数字化滤波以内的信号 只有我这个有效信号 所以我防混叠 也就是我模拟前端这个电路 这个电路也就是我们 所有ADC采样中 会经常用到一个RC滤波电路 很多RC我们一般会讲 把这个带宽稍微放大一点 稍微虑下高频 但是到底是滤多大的带宽技术频率 那它的设计原理 应该是基于这种理论 那它是跟我的数字化滤波的这个 截至频率相互补充的 从这个图上非常明显地就可以看出 我通过红颜色虚线的这个 外围前端模拟电路 前端模拟滤波 把这个可以产生频率混叠的 这部分红色信号把它滤除掉了 通过数字化滤波 把这个不会产生频率混叠的这部分 带宽之外的这个绿色信号滤除掉了 剩下的只是我的有效信号 这个蓝色的 所以这样处理以后 我整个的这个信号质量 都会得到非常大幅的提升 这个红色的虚线 就是我们要涉及的跟 Delta Sigma AD采样 去配合的模拟前端 对于Delta Sigma的防混叠的滤波器的设计 除了我们刚才提到的这个 它的不同带宽的设计 我们还要考虑到实际电路中的 各种噪声的噪声源的特性 比如说我们这里分的共模 和差模的这种噪声 那对于共模噪声来说 我们一般的这种滤波的 外围的滤波器是这样的 每一根这个 两个差分线上的每一个线上 我们都会有一个这种 一模一样的这种滤波结构 去滤除这个共模噪声 那但是我们用的 滤波器的RS1 CCM1 这些它本身的这个容值 或者内阻会有略微的 这种微小的差异 那如果他们两个C之间 它的容值上有差异 它会进一步引入一个差模的干扰 那为了滤出差摸的干扰 我们会在两路之间 跨界一个C dif 那C dif的值如何设计 那就是C dif要大于十倍的 CCM就是共模电熔的十倍 来匹配来弥补它们之间由于容值差距 引入的这个差模干扰 或者是其他两个线路上的组织 和寄生的参数的差异 好 Delta Sigma的防频率混叠滤波器 我们介绍完 那下面我们介绍这个SAR的 这个防混叠滤波器 或者说我们就叫它模拟前端 那对于这个模拟前端的设计 我们看到典型的应用 那这里面是我们的 SAR ADC 那假设我们这个例子中 我们的采样频率会在1兆 那对于1兆的采样频率来说 那没有频率混叠的平移范围 就是500K以内 那500K到1兆这一段的这个信号 都有可能引起频率混叠 那我们看我们这个典型的条例 一般会有一个运放加一些这种滤波 还有比例变换环节 那最后进入SAR ADC前面 永远是一个RC滤波器 那这个是 所有用我们SAR ADC里面必须要做的 那我们从这个图上来看 它这个防混叠滤波器 其实只是指模拟用运放这一段 叫防混叠滤波器 那这一部分 其实它并不是防混叠的这个概念 那从下面波的图我们可以看到 那红色这一部分我们设计的 这个带宽 它是一个二阶的低通 它的带宽大概8.6K 对于蓝色这一部分 RC的带宽15.8兆 所以这个15.8兆几乎对500K 到1兆的这个是没有什么太多的 就没有这个滤波的效果 那这里我们叫的charge bucket filter 实际上它的存在 主要是为了配合SAR ADC内部的这个 RC进行Sample Hold 就是它的这部分参数要能与 ADC内部的RC的这个值相匹配 来满足它能够将里面的电容 按照你的采样速率快速的充放电 同时不造成各种什么AD震荡 我们知道这个 这种电容里面还有集成电感 存在的一些环路 在高速的这种Sample Hold去切换的时候 有可能会产生一些震荡 如果你这个参数配备不合理的话 所以这部分的阻容 主要目的是为了配合 ADC内部的这个采样所使用 所以有可能我们会问 那在一些我不需要运放调理 那可能直接电阻分压过来 那最后我能不能用 我们这里称之为charge bucket filter的这个 RC滤波直接既做这个和里面匹配 又当作它是一个防混叠的滤波 那我们下面就着重分析对于这个ADC 直接相连RC 它的设计要求有哪些 我们能不能把这两个滤波器的功能 结合成一起 只放一个RC 那第一个 我们假设我们外围配置的电容非常小 那极端境况就没有电容 那如果这个情况下会有什么现象 那有可能就会产生我们下面 这个图上所看到的 那上面这个就是我们ADC采样的 触发事件 有一个下降沿的时候 我就会去采样 那我们看到实际采样得到的波形 它会有一个一个的锯齿 那这个就是因为 我去Sample Holde开关闭合的时候 整个信号由于我需要 短时间内迅速的将里面的电容充电 我被采的信号没有那么大的电流能力 它被拉低了 那就是说由于我的采样存在 影响到我被采的被监测的信号 产生了一定的锯齿 那正常原始的信号我如果不采的话 它肯定是个平滑的正弦波 所以这个就是一个失败的匹配 在我们的系统中是要避免这种匹配的 那这个道理就像我们图上画的 就是我们外围的这个RC 尤其是这个C它相当于一个大的水桶 那AC里面的电容 相当于一个小的水桶 每次我要采的时候我都需要 将外面大水桶的往小水桶里面倒 让两边的电压达到一致 所以它这边必须有足够的电流能力 瞬间能够非常快地 让里面的电容充满电 所以你外面的CF 要远远的大于CSH 那这是对外围的模拟前端的一个要求 另一个要求就是说我的稳定性 我们知道这两个电路放在一起 我们写它的波特图的话 它是一个二阶的系统 那二阶系统中 如果我把这个电容放得非常大 那会引入一个不稳定的震荡 那我只有通过调大电阻来抑制 相当于是一个阻尼来抑制它的震荡 那这种情况下 我的RC组成的阻容滤波网络 它的带宽就会变小 因为我的这个R和C都变得比较大 那它的带宽就变小 那变小以后的带宽是不是符合我 抗混叠滤波器的设计要求 这是一个问号 那同时我们如果是将抗混叠滤波器 以及AD前端的RC网络 保证Sample Hold正常工作 滤波的功能合二为一的话 那我们在设计这个RC的时候 它的要求就是多重的 那我们去找这两个阻容值的时候 相对就是比较复杂 同时有可能我们找不到一个 特别合适的 两个目标都能够达到的阻容值 所以我们在设计模拟前端的时候 是建议像我们之前给大家展示的 把这两个功能分开的这种设计 那么回到前端一点 就是这种 那我把前端的charge bucket filter 它这种功能和我前面的 抗混叠滤波的功能分开 用两部分滤波去实现 那这样的话每一种的 设计目标就非常明确 那我也是可以比较容易地找到 这种它的这个阻容参数 这个还是我们之前看到的 我们TI的主要的这几种 SAR ADC和Delta-Sigma ADC外挂的芯片 那跟它配合的我们一般是用 TI的C2000系列的MCU 去作为它的采集 那SAR ADC 和C2000之间的接口 我们TI有一个非常独特的 叫Multiple SPI的这个 高速SPI的这个通讯接口 可以和我们C2000 高速的进行数据交换 来完成我们实施控制系统这种要求 那Delta-Sigma 我们这个外挂实际上是一个 总体的这个采样芯片 那还有一部分我们可以跟 C2000配合的是我外挂一个 只是一个modulator 因为我们C2000内部是有delta filter 和解调的单元的 所以如果是这样的话 我们可以挂 我们有AMC1304 AMC1204等等这些器件 那后面就是我们TI的网站上 关于ADC有专门的一个页面 那它会按照大家的需求给大家推荐 您需要的这个芯片 那这颗AMC1304 就是我们Delta Sigma的调制器 它是内带LDO等等这些功能 那在这个页面除了给大家推荐 我们的part number之外 还会有相关的这个TI Design 供大家去选择 或者是我们的TI Design 就是用我们这些芯片 去搭了一个简单的最小系统 来帮助您了解这颗芯片 以及它包含的一些软件 和一些外围电路供您参考 来应用到您的系统中 好 非常感谢大家的时间 欢迎大家继续关注TI的相关产品 谢谢大家