适用于地震学和能源勘探应用的低噪声和低功耗数据采集解决方案

精密数据采集（DAQ）系统在工业应用中很受欢迎。在某些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，其中可以从地震数据中提取大量信息，这些信息可用于广泛的应用，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（参考文献1）。

DAQ 信号链 要求

地震检波器是将地面振动信号转换为电信号的机电转换设备。它们适用于高分辨率地震勘探。它们沿着阵列植入地面，以测量地震波从不连续表面（如垫层平面）反射时的返回时间，如图1所示。

图1.地震源和检波器阵列。

为了捕获来自检波器的小输出信号，必须构建高灵敏度DAQ信号链进行数据分析。总均方根噪声应为= 1.0 μV rms，平坦低通带宽范围有限，为300 Hz至~400 Hz，而信号链的THD应达到–120 dB左右。由于地震仪器由电池供电，因此功耗应平衡在30 mW左右。

本文介绍两种信号链解决方案，以实现以下目标要求：

PGIA增益： 1， 2， 4， 8， 16

集成可编程宽带滤波器的ADC

增益 = 1 时的 RTI 噪声（300 Hz 至 ~400 Hz，带宽为 –3 dB），均方根为 1.0 μV rms

总谐波误差：增益 = 1 时为 –120 dB

增益 = 1 时的 CMRR，>100 dB

功耗（PGIA 加 ADC）：33 mW

用于自检的辅助通道

地震信号链 – 示例 1

没有一款精密ADC具有所有这些特性，可以实现如此低的噪声和THD，也没有一款PGIA可以提供如此低的噪声和低功耗。开发人员面临的挑战是确定使用不同组件构建满足目标要求的信号链之间的权衡。

对于地震信号链，需要低噪声、低失真和低功耗的PGIA。超低噪声ADA4084-2或零漂移放大器ADA4522-2非常适合这种配置。或者，24位Σ-Δ型ADCAD7768-1或32位SAR ADCLTC2500-32适用于非常高的精度，并为不同的DAQ应用提供可配置的ODR和集成的扁平低通FIR滤波器。

整个地震信号链如图2所示。在本例中，ADA4084-2、ADG658和0.1%电阻可以构建低噪声、低THD PGIA，支持多达8种不同的可选增益选项。AD7768-1是一款单通道低功耗、–120 dB THD平台。它具有一个低纹波可编程 FIR、DC 至 110.8 kHz 数字滤波器，并使用LT6657作为其基准器件。

图2.ADA4084-2 PGIA和AD7768-1以及MCU滤波信号链解决方案。

AD7768-1在低功耗模式下以1 kSPS的ODR运行时可获得1.76 μV rms噪声，功耗为10 mW。为了实现最终的1.0 μV rms噪声，它可以在更高的ODR下运行，例如中值模式下为16 kSPS。当AD7768-1以较高的调制器频率运行时，其本底噪声较低，如图3所示，功耗较高。可以在MCU软件中实现平坦的低通FIR滤波器算法，以消除更高带宽的噪声，并将最终ODR抽取至1 kSPS。最终均方根噪声约为3.55 μV的四分之一，即0.9 μV。

图3.通过MCU后置滤波平衡AD7768-1的目标噪声ODR。

例如，可以如图4所示制作MCU软件FIR滤波器，以平衡性能和群延迟。

地震信号链 – 示例 2

LTC®2500-32是一款低噪声、低功率、高性能 32 位 SAR ADC，具有一个集成的可配置数字滤波器。它具有 32 位数字滤波低噪声和低 INL 输出，适用于地震学和能源勘探。

应缓冲高阻抗源，以最大限度地缩短采集期间的建立时间，并优化开关电容输入SAR ADC线性度。为获得最佳性能，应使用一个缓冲放大器来驱动 LTC2500-32 的模拟输入。必须设计一个分立式 PGIA 电路来驱动 LTC2500-32 以实现低噪声和低 THD，这在 PGIA 部分进行了介绍。

PGIA实施

PGIA电路的主要规格包括：

电源：最小 5 V

由于AD7768-1的功耗为19.7 mW，因此PGIA电路应为<13.3 mW，以满足33 mW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 时的 1/10

有三种类型的 PGIA 拓扑：

综合PGIA项目

带有集成仪表放大器的分立式PGIA

带运算放大器的分立式PGIA

表1列出了ADI的数字PGIA。LTC6915具有最低的 IQ。噪声密度为50 nV/√Hz时，430 Hz带宽内的积分噪声为1.036 μV rms，超过了0.178 μV rms的目标。因此，集成的PGIA不是一个好的选择。

表2列出了几种仪表放大器，包括300 μA IQAD8422。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FIR滤波器级。

图5.ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32信号链解决方案。

图6.LTC2500-32 针对不同降采样因子的平坦通带滤波器噪声。

表 1.数字PGIA课程

部件号	增益（最小值） （V/V）	增益（最大） （V/V）	IQ/放大器（最大值） （毫安）	VS 跨度（分钟） （五）	VS 跨度（最大） （五）	输入电压噪声（典型值）（nV/√Hz）
LTC6915	1	4096	1.6	2.7	11	50
AD8557	28	1300	1.8	2.7	5.5	32
AD8556	70	1280	2.7	5	5.5	32
AD8250	1	10	4.5	10	30	18
AD8251	1	8	4.5	10	34	18

表 2.仪表放大器

表 3.低噪声、低功耗运算放大器

装置	沃斯 （最大）（微伏）	伊比亚斯 （最大）	英镑 （典型值）（兆赫）	0.1 赫兹至 10 赫兹 VNOISE （典型值）（nV p-p）	VNOISE 密度（典型值）（nV/√Hz）	电流噪声密度（典型值）（fA/√Hz）	IQ/放大器（典型值）（微A）	VS 跨度（最小值）（V）	VS 跨度（最大）（V）
ADA4522-2	5	150 pA	2.7	117	5.8	800	830	4.5	55
ADA4084-2	100	250 毫安	15.9	100	3.9	550	625	3	30

噪声模拟

LTspice可用于仿真分立PGIA的噪声性能。积分噪声带宽为430 Hz。 表4显示了两种不同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，尤其是在高增益下。

图7.离散PGIA的框图。

通过运算放大器实现分立式PGIA

文章“可编程增益仪表放大器：找到适合您的放大器”讨论了各种集成PGIA，并为在尝试满足特定要求时构建分立PGIA提供了良好的指南（参考文献2）。图7显示了分立PGIA电路的框图。

ADG659/ADG658可以选择低电容和5 V电源。

对于运算放大器，IQ（每通道<1 mA）和噪声（<6 nV/√Hz电压噪声密度）是关键规格。精密运算放大器ADA4522-2和ADA4084-2是不错的选择，其特性如表3所示。

对于增益电阻，选择1.2 kΩ/300 Ω/75 Ω/25 Ω电阻以实现1/4/16/64增益。电阻越大，噪声可能会增加，电阻越小，需要的功耗就越大。如果需要其他增益配置，则必须仔细选择电阻以确保增益精度。

差分输入ADC扮演减法器的角色。ADC的CMRR为>100 dB，可以满足系统要求。

表 4.噪声模拟结果

	ADA4084 PGIA 和AD7768-1	ADA4522 PGIA 和AD7768-1
RTI 在 430 Hz 带宽内的集成噪声 增益 = 1 （μV rms）	1.765	1.774
RTI 积分噪声在 430 Hz 带宽和增益 = 4 （μV rms） 以内	0.744	0.767
RTI 积分噪声在 430 Hz 带宽和增益 = 16 （μV rms） 以内	0.259	0.311
RTI积分噪声在430 Hz带宽和增益= 64 （μV rms）以内	0.148	0.225

用于驱动 LTC2500-32 的环内补偿电路

AD7768-1集成预充电放大器，可降低驱动要求。对于 SAR ADC，例如 LTC2500-32，通常建议使用高速放大器作为驱动器。在 此 DAQ 应用 中， 带 宽 要求 较低。为了驱动LTC2500-32，建议使用一个使用精密放大器（ADA4084-2）的环内补偿电路。图 8 示出了用于驱动 LTC2500-32 的环内补偿 PGIA。PGIA具有以下特点：

R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3是提高环内补偿电路稳定性的关键元件。

ADG659时，A1/A0 = 00，增益 = 1，上部放大器的反馈路径为放大器输出 ➞ R22 ➞ R30 ➞ S1A ➞ DA ➞ R6 ➞ 放大器输入。

ADG659时，A1/A0 = 11，增益 = 64，上部放大器的反馈路径为放大器输出 ➞ R22 ➞ R8 ➞ R10 ➞ R12 ➞ S4A ➞ DA ➞ R6 ➞ 放大器 —IN。

PGIA 连接至 LTC2500-32EVB 以验证性能。尝试不同的无源元件（R22/C14/R30/C5和R27/C6/R31/C3）值，以在不同增益（1/4/16/64）下达到更好的THD和噪声性能。最终分量值为：R22/R27 = 100 Ω、C14/C6 = 1 nF、R30/R31 = 1.2 kΩ、C3/C5 = 0.22 μF。增益 = 低于 PGIA 1 时测得的 3 dB 带宽约为 16 kHz。

图8.用于驱动 LTC2500-32 的 PGIA。

工作台评估设置

为了测试噪声、THD和CMRR性能，我们制作了分立式ADA4084-2 PGIA和AD7768-1板作为整体解决方案。该解决方案与EVAL-AD7768-1评估板兼容，因此可以与控制板SDP-H1连接。因此，EVAL-AD7768FMCZ软件GUI可用于收集和分析数据。

ADA4084-2 PGIA和LTC2500-32板设计为替代整体解决方案。该板与 SDP-H1 控制器板接口，该板由 LTC2500-32FMCZ 软件 GUI 控制。

在这两款电路板中，PGIA的增益设计为1/2/4/8/16，与图8所示不同。表 5 显示了这两款电路板的评估结果。

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和AD7768-1 （中值模式，FMOD = 4 MHz，ODR = 16 kSPS）+	ADA4084-2和AD7768-1 （中值模式，FMOD = 4 MHz，ODR = 16 kSPS）+ MCU FIR 和 DEC 至 ODR = 16 k/16 = 1 kSPS	ADA4084-2 和 LTC2500-32 模数转换器 MCLK = 1 兆赫
增益 = 1 时的 RTI 噪声 （μV rms）	3.718	0.868	0.82
RTI 噪声在 增益 = 2 （μV rms）	1.996	0.464	0.42
RTI 噪声在 增益 = 4 （μV rms）	1.217	0.286	0.3
RTI 噪声在 增益 = 8 （μV rms）	0.909	0.208	0.24
RTI 噪声在 增益 = 16 （μV rms）	0.808	0.186	0.19
增益 = 1 时的总和误差 （dB）	—125	—125	—122
增益 = 2 时 THD （dB）	—125	—125	—119
增益 = 4 时的总和误差 （dB）	—124	—124	—118
增益 = 8 时的总和误差 （dB）	—120	—120	—117
增益 = 16 时的总和误差 （dB）	—115	—115	—115
增益 = 1 时 CMRR （dB）	131	131	114
增益 = 4 时 CMRR （dB）	117	117	121
增益 = 16 时 CMRR （dB）	120	120	126
钯典型值 （毫瓦）	31.3	31.3	33.2

图 10.ADA4084-2 PGIA 和 LTC2500-32 板 FFT，增益为 1。

结论

为了 为 地震 和 能源 勘探 设计 超 低 噪声 和 低功耗 DAQ 解决 方案， 可以 设计 一个 分立 PGIA， 带 低 噪声 和 THD 精密 放大器 来 驱动 高分辨率 精密 ADC。该解决方案可灵活地平衡噪声、THD 和 ODR 与其功耗要求。

LTC2500-32 的低噪声性能以及 ADA4084-2 和 LTC2500-32 的优势在于，无需 MCU 的进一步滤波处理即可获得最佳噪声性能。

ADA4522-2和ADA4084-2在PGIA增益= 1时均具有良好的噪声性能。噪声性能约为0.8 μV rms。

ADA4084-2在高增益下具有更好的噪声性能。增益 = 16 时，ADA4084-2 和 LTC2500-32 的噪声为 0.19 μV rms，优于 ADA4522-2 的 0.25 μV rms。

对于AD7768-1，采用MCU滤波时，ADA4084-2和AD7768-1解决方案的噪声性能与ADA4084-2和LTC2500-32解决方案相似。

本文给出了一种数据采集解决方案，该解决方案要求在有限带宽下同时实现低噪声和低功耗。还有其他DAQ应用需要不同的性能。如果低功耗不是必须的，那么可以使用以下运算放大器来构建PGIA：

最低噪声：LT1124 和 LT1128 可被认为具有最佳噪声

最低漂移：ADA4523是一款新型零漂移放大器，具有比ADA4522-2和LTC2500-32更好的噪声规格。

最低偏置电流：如果传感器的输出电阻较高，建议使用ADA4625-1。

更高的带宽：ADA4807、LTC6226 和 LTC6228 是在高带宽 DAQ 应用中构建高带宽、低噪声 PGIA 的良好解决方案。

在噪声和功耗并不重要，但需要小PCB面积和高完整性的DAQ应用中，ADI公司的新型集成PGIAADA4254和LTC6373也是不错的选择。ADA4254是一款零漂移、高电压、1/16至~176增益鲁棒PGIA，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

部件号	沃斯 （最大）（微伏）	伊比亚斯 (max)	英镑 （典型值）（兆赫）	0.1 赫兹至 10 赫兹 VNOISE (typ) (nV p-p)	VNOISE密度（典型值）	电流噪声密度 (typ)	智商/放大器（典型值）	VS 跨度（最小值）（V）	VS 跨度（最大）（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/√赫兹	4.5 fA/√赫兹	4毫安	5	36
LT1124	70	20 毫安	12.5	70	2.7 nV/√Hz	300 fA/√赫兹	2.3毫安	8	44
LT6233	500	3 微安	60	220	1.9 nV/√赫兹	430 fA/√赫兹	1.15毫安	3	12.6
ADA4084-1	100	250 毫安	15.9	100	3.9 nV/√赫兹	550 fA/√赫兹	565 微安	3	30
ADA4807-1	125	1.6 微安	200	160	3.3 nV/√赫兹	700 fA/√赫兹	1毫安	2.7	11
ADA4523-1	5	300 pA	5	88	4.2 nV/√Hz	1 pA/√赫兹	4.5毫安	4.5	36
LT1128	40	90 毫安	20	35	850 pV/√赫兹	1 pA/√赫兹	7.4毫安	8	44
LTC6228	95	25 微安	890	940	880 pV/√赫兹	3 pA/√赫兹	16毫安	2.8	11.75
LTC6226	95	20 微安	420	770	1 nV/√赫兹	2.4 pA/√赫兹	5.5毫安	2.8	11.75

审核编辑：郭婷