為什麼電源選擇在精密訊號鏈中很重要

我們在設計類比電路時，常會反射性地深入研究電路中每個組件的規格細節。您的熱情可能會得到一個「優」的讚賞，但最終的設計可能會受到電源影響。以下說明原因以及如何避免犯下這個錯誤。

如果您正在開發一款經過最佳化以實現低延遲和快速的超高精密度電路，您的電路似乎已不需設計。您可以為這種高精密度電路選擇具有低雜訊和更高速度的組件，以控制延遲。此類電路的適當方塊圖如圖 1 所示。它包含許多跨隔離屏障傳輸類比訊號的組件。

圖 1：具有低延遲量測的自適應電壓／電流量測訊號鏈。(圖片來源：Analog Devices)

在此情境下，精密組件的細節立即映入眼簾。Analog Devices 的 ADG5421F 開關是 ±60 V 故障保護和偵測、11 Ω R_ON、雙單刀單擲 (SPST) 開關。該元件識別兩個輸入之間的差異何時超過電源，並生成錯誤訊息。

其增益級是 Analog Devices 的 LTC6373，一個 36 V 全差動、可編程增益儀表放大器。LTC6373 將輸入感測器訊號增益至隨後適當的類比數位轉換器 (ADC) 位準。此濾波器是一個單極離散電阻電容 (R-C) 電路。此濾波器執行抗交疊功能，衰減較高頻率的訊號。

類比數位轉換電路始於 Analog Devices 的 ADA4896-2，這是一款雙通道、低功率、軌到軌輸出放大器，作為 ADC 的驅動放大器。接著是 Analog Devices 的 AD4630-24 24 位、2 MSPS、雙通道連續漸近暫存器 (SAR) ADC，執行零延遲的高精密度轉換。

ADC 的參考電壓部分由 Analog Devices 的 LTC6655LN (具有固定 5 V 輸出的串聯參考電壓) 和 Analog Devices 的 ADA4523-1BCPZ (零漂移放大器) 組成，在參考電壓和 ADA4523 參考輸入引腳之間形成一個緩衝器。

最後，採用 Analog Devices 的 ADuM14xE 數位隔離器進行隔離並進一步保護電路。

超越精密度規格

暫停一下。現在，假設您是團隊的類比設計師。恭喜您：您已經是精英工程師的一員，儘管這仍將是一個持續的學習歷程。在此背景之下，您應該會允許我提出一些之前可能沒有聽過的建議。首先，將類比教程放到一邊，考慮以另一種方法解決一些基本問題，從電源系統、靜態電流、雜訊和精密度開始。

在我多年的類比設計中，這通常只在我的設計週期結束時才採用，沒錯，這讓我經歷痛苦的重新設計和修改工作。現在您不必這樣做。

此外，產業趨勢很明顯朝向更低的功耗和更小的幾何形狀發展。有幸的是，我們還沒太深入這個特定的設計，因此我們還可以退後一步，看看電路的基本原理：電源電壓、靜態電流和電源電源拒斥比 (PSRR)。

我建議的改變是量身打造電源解決方案，作為訊號鏈設計的關鍵價值主張，相等或超越精密度目標。現在的設計步驟和注意事項：

1. 建立訊號鏈方塊圖。
2. 在圖中選擇可能的組件。
3. 定義：
   1. 電源電壓
   2. 電源電流
   3. PSRR

如果您沒有儘早考慮電源規格並與您的設計方案保持一致，那麼設計複雜性就會大幅增加。這是由於增加了複雜的背景電源設計，並且由於組件的靜態電流而導致功耗隨之增加。成效如何？一個整體不令人滿意的設計，可能會讓您回到繪圖板。

因此，讓我們看看電源電壓、電流和 PSRR 預算。

設計時考慮到電源

開關 (或保護) 和增益 (或可編程儀表放大器) 級需要更廣泛的電源電壓範圍，例如 ±15 V ，以便為輸入感測器提供充足的訊號範圍。ADC 驅動器、參考、參考驅動器和隔離模塊需要平均電源範圍，例如 ±5 V 和 +5.5 V ，以適應訊號要求。最後，ADC 與控制器的數位介面需要較低的電壓，例如 +1.8 V ，以保持較低的整體功耗 (表 1)。

表 1：各個元件的電源要求。(表格來源：Analog Devices，由 Bonnie Baker 修改 (用於電源))

根據表 1，有三個正類比電源 (15 V 、5.5 V、5 V )、三個正數位電源 (5 V 、5 V、1.8 V )和兩個負類比電源 (-15 V 和 -5 V )。表 1 中的數字指出類比和數位電源要求。ADA4896-2 在 PSRR 系統圖中占主導地位，產生的靜態功率為 487 mW，是最佳效能下的最小功率。

結論

如圖所示，開關、放大器和 24 位 ADC (如 Analog Devices 的 AD4630-24) 的正確組合可以助您打造具有最佳化快速趨穩和低延遲特性的超高精密度系統。然而，為了提供最佳的整體效能，必須適當考慮功率。ADG5421F、LTC6373、ADA4896-2、AD4630-24、LTC6655LN、ADA4523、ADuM14xE 組合打造一個可調節電壓／電流量測訊號鏈，滿足低延遲量測的應用要求，同時最大程度降低功耗並形成理想的儀表解決方案。