帶可編程增益跨阻放大器和同步檢波器的雙通道色度計(jì)

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1所示電路是一個(gè)雙通道色度計(jì)，集成調(diào)制光源發(fā)射器和同步檢波器接收器。電路以三種不同的波長(zhǎng)測(cè)量樣本與參考容器的吸收光線之比。

　　該電路針對(duì)許多化學(xué)分析和環(huán)境監(jiān)控儀器提供有效的解決方案，這些儀器儀表用于通過(guò)吸收光譜測(cè)量濃度和表征材料。

　　光電二極管接收器調(diào)理路徑包括可編程增益跨阻放大器，用于將二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，并允許分析光吸收情況大不相同的不同液體。16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供額外的動(dòng)態(tài)范圍，確保寬范圍光電二極管輸出電流具有足夠的分辨率。

　　使用調(diào)制光源和同步檢波器而非恒流（直流）源可消除環(huán)境光線和低頻噪聲產(chǎn)生的測(cè)量誤差，并提供更高的精度。

　　圖1. 帶可編程增益跨阻放大器和鎖定放大器的雙通道色度計(jì)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

　　電路描述

　　AD8618 四通道運(yùn)算放大器形成三個(gè)簡(jiǎn)單的電流源，以恒定電流驅(qū)動(dòng)LED。 EVAL-SDP-CB1Z產(chǎn)生5 kHz時(shí)鐘，通過(guò)單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān) ADG633調(diào)制一個(gè)LED，以便打開(kāi)或關(guān)閉其電流源的基準(zhǔn)電壓。將另外兩個(gè)LED的電流源設(shè)為0 V可在不用時(shí)將其關(guān)閉。

　　波束分離器將一半光線通過(guò)樣本容器發(fā)送，另一半通過(guò)參考容器發(fā)送。取決于每個(gè)容器中介質(zhì)的類(lèi)型和濃度，容器可吸收不同量的光。每個(gè)容器另一側(cè)的光電二極管產(chǎn)生少量電流，數(shù)量與接收到的光量成比例。

　　每條通道的第一級(jí)包含 AD8615 運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器配置為跨阻放大器，可將光電二極管輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓。 AD8615作為光電二極管放大器，是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗哂袠O低的輸入偏置電流（1 pA）、輸入失調(diào)電壓（100 μV） 和噪聲（8 nV/√Hz）。雖然信號(hào)隨后經(jīng)交流耦合，在本級(jí)中盡量減少直流誤差依然很重要，這樣可避免損失動(dòng)態(tài)范圍。運(yùn)算放大器輸入偏置電流乘以輸出端的反饋電阻值，作為失調(diào)電壓。帶增益輸出端上的運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓取決于反饋電阻和光電二極管分流電阻。此外，流經(jīng)光電二極管的任何運(yùn)算放大器輸入電壓失調(diào)都會(huì)導(dǎo)致光電二極管暗電流的增加。

　　圖2顯示帶單反饋電阻的典型跨導(dǎo)放大器及其理想傳遞函數(shù)。

　　圖2. 跨導(dǎo)放大器傳遞函數(shù)

　　由于某些受測(cè)溶液可能具有非常強(qiáng)的吸收特性，因此有時(shí)需要使用大反饋電阻以測(cè)量光電二極管產(chǎn)生的極小電流，同時(shí)要能夠測(cè)量與高度稀釋溶液相對(duì)應(yīng)的大電流。為了解決這一難題，圖1中的光電二極管放大器含有兩個(gè)不同的可選增益。其中一個(gè)增益設(shè)為33 kΩ，另一個(gè)設(shè)為1 MΩ。當(dāng)單SPDT開(kāi)關(guān)連接運(yùn)算放大器的輸出端以便開(kāi)關(guān)反饋電阻時(shí)， ADG633的導(dǎo)通電阻可能導(dǎo)致跨阻增益誤差

　　為了避免這個(gè)問(wèn)題，圖3顯示了一種較好的配置，在該配置中，反饋環(huán)路內(nèi)部的ADG633選擇所需電阻，同時(shí)第二個(gè)開(kāi)關(guān)將系統(tǒng)下一級(jí)與所選反饋環(huán)路相連。放大器輸出端的電壓為：

　　VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × RFEEDBACK

　　而非

　　VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × （RFEEDBACK + RON ADG633） ADG633位于反饋環(huán)路之外，該級(jí)的輸出阻抗即為 ADG633的導(dǎo)通電阻（通常 52 Ω），而非與閉環(huán)工作時(shí)運(yùn)算放大器輸出有關(guān)的極低輸出阻抗。

　　請(qǐng)注意，出于穩(wěn)定性考慮，要求使用反饋電容 CFx，以補(bǔ)償總輸入電容（二極管電容加上運(yùn)算放大器輸入電容）以及反饋電阻 RFx產(chǎn)生的極點(diǎn)。有關(guān)此分析的詳情，請(qǐng)參見(jiàn)傳感器信號(hào)調(diào)理實(shí)用設(shè)計(jì)技巧中的第5部分。

　　哪怕諸如 AD8615 這類(lèi)最好的軌到軌輸出放大器都無(wú)法完全擺動(dòng)輸出至電軌。此外， AD8615上的輸入失調(diào)電壓可以為負(fù)，雖然其數(shù)值非常小。 ADR4525基準(zhǔn)電壓源將光電二極管和放大器偏置到2.5 V，而非使用負(fù)電源確保放大器不會(huì)被削波，從而可驅(qū)動(dòng)至0 V。電路板的模擬和數(shù)字部分采用 5 V線性調(diào)節(jié)器供電。

　　圖3. 可編程增益跨導(dǎo)放大器

　　光電二極管放大器輸出電壓可在2.5 V至5.0 V范圍內(nèi)擺動(dòng)。對(duì)于33 kΩ范圍而言，2.5 V輸出范圍對(duì)應(yīng)滿量程光電二極管的電流值為75.8 μA。對(duì)于1 MΩ范圍而言則對(duì)應(yīng)2.5 μA。使用1 MΩ的增益設(shè)置進(jìn)行操作時(shí)，重要的是保護(hù)光電二極管不受外界光線影響，以防放大器飽和。雖然下文所述的同步整流器可極大地衰減任何不與LED時(shí)鐘同步的頻率，但如果上一級(jí)被衰減，則它無(wú)法正常發(fā)揮作用。每通道的增益設(shè)置可通過(guò) EVAL-SDP-CB1Z板獨(dú)立選擇。

　　下一級(jí)是簡(jiǎn)單緩沖交流耦合濾波器。濾波器截止頻率設(shè)為 7.2 Hz；它移除所有輸出失調(diào)電壓，并衰減白熾燈和熒光燈以及其它所有進(jìn)入光電二極管的雜散光造成的低頻光污染。同時(shí)， ADR4525的輸出還將該電路偏置到2.5 V；因此，該級(jí)的輸出信號(hào)擺幅標(biāo)稱值范圍為1.25 V至3.75 V。

　　緊隨交流耦合濾波器之后的電路為同步整流器電路，采用 AD8271 差動(dòng)放大器和 ADG733 三路SPDT開(kāi)關(guān)組成。 ADG733 內(nèi)部開(kāi)關(guān)與 AD8271的內(nèi)部10 kΩ增益設(shè)置電阻串聯(lián)；因此， ADG733 的4.5 Ω最大導(dǎo)通電阻造成的增益誤差僅為0.05%，并且溫度漂移低于1 ppm/°C。

　　系統(tǒng)的其余部分使用 ADG633開(kāi)關(guān)，因?yàn)樗鼈兙哂袠O低的泄漏電流和較低的寄生電容。

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)LED的時(shí)鐘處于高電平狀態(tài)時(shí)， ADG733 內(nèi)的開(kāi)關(guān)將根據(jù)如下簡(jiǎn)單傳遞函數(shù)配置 AD8271

　　VO = VIN

　　其中：

　　VO為同步檢波器的輸出。

　　VIN為同步檢波器的輸入，范圍為2.5 V至3.75 V。

　　在該配置下，同步整流器用作單位增益放大器。

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)LED的時(shí)鐘處于低電平狀態(tài)時(shí)， ADG733 內(nèi)的開(kāi)關(guān)將根據(jù)如下傳遞函數(shù)配置 AD8271

　　VO = 2VREF ? VIN

　　其中：

　　VREF為 ADR4525的2.5 V輸出。

　　VIN范圍為1.25 V至2.5 V。

　　這種情況下，當(dāng)輸入為1.25 V時(shí)（交流耦合級(jí)可輸出的最小電壓），同步整流器的輸出為3.75 V；而當(dāng)輸入為2.5 V時(shí)（交流耦合級(jí)的中間電平），同步整流器的輸出為2.5 V。在這種配置下，同步整流器的增益為?1，并且在+2.5 V基準(zhǔn)電壓附近偏置。

　　圖4. 每步的系統(tǒng)框圖和時(shí)域波形

　　圖4為系統(tǒng)框圖，并標(biāo)出了每級(jí)的電壓范圍。同步整流電路處理后的結(jié)果為可變直流電壓，變動(dòng)范圍為2.5 V（沒(méi)有光線到達(dá)光電二極管）至3.75 V（滿量程光輸入）。該輸出電壓對(duì)應(yīng)1.25 V的滿量程輸出擺幅。

　　該電路過(guò)濾頻率不與LED時(shí)鐘同步的信號(hào)（或奇次諧波，因?yàn)闀r(shí)鐘波形為方波）。在頻域中， AD8271輸出端的低通濾波器看上去像一個(gè)LED時(shí)鐘頻率附近的帶通濾波器。該濾波器的帶寬越低，同步整流器就越能抑制帶外噪聲。出于噪聲抑制和建立時(shí)間的權(quán)衡考慮，該濾波器的截止頻率設(shè)為16 Hz。必須說(shuō)明，該濾波器帶寬約等于LED時(shí)鐘。例如，若LED調(diào)制為5 kHz，則同步檢波器的3 dB通帶范圍為 4.984 kHz至5.016 kHz。

　　系統(tǒng)最終級(jí)為低噪聲、16位、Σ-Δ型ADC AD7798 。該ADC 集成內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA），具有差分輸入。將 2.5 V基準(zhǔn)電壓源與AIN引腳相連，并將PGA增益設(shè)為2以便允許它把同步整流器的2.5 V至3.75 V輸出映射為滿量程16位輸出。此外， AD7798的輸出濾波器還提供50 Hz和60 Hz下的最低65 dB抑制，進(jìn)一步衰減同步檢波器的所有噪聲。

　　為了驗(yàn)證前端電路不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的噪聲，數(shù)據(jù)在 LED禁用時(shí)采集。同步檢波器依然工作在LED時(shí)鐘頻率下，但不會(huì)檢測(cè)到任何與該時(shí)鐘同步的光信號(hào)。因此，它可移除除了 AD8271 和ADC產(chǎn)生的誤差之外的所有直流和交流信號(hào)。圖5顯示該配置下的噪聲，它針對(duì)單個(gè)通道的數(shù)值低于1 LSB（ADC輸入在兩個(gè)代碼之間置中），針對(duì)另一個(gè)通道為1 LSB峰峰值（ADC輸入在兩個(gè)相鄰代碼之間位于過(guò)渡區(qū)域）。此外，需注意測(cè)量電壓為負(fù)，數(shù)值為幾個(gè)mV，這是符合 AD8271典型失調(diào)誤差分布的預(yù)期性能。

　　圖5. LED源禁用時(shí)的ADC電壓

　　常見(jiàn)變化

　　改變光電二極管放大器上反饋電阻的數(shù)值即可改變放大器增益。這是一種自定義電路的簡(jiǎn)單方法，可用于不同光照水平的特定應(yīng)用。然而，補(bǔ)償電容也必須改變，以保持帶寬，保證放大器的穩(wěn)定性。

　　對(duì)于極低水平光照測(cè)量系統(tǒng)而言，同步檢波器的低通濾波器其截止頻率可設(shè)為低得多的頻率值，以便具有最佳性能，但代價(jià)是測(cè)量周期較長(zhǎng)。

　　由于LED的光輸出隨溫度變化而改變，系統(tǒng)以樣本和參考通道的比例進(jìn)行測(cè)量。光電二極管的增益容差最大值為 ±11%；因此，由于LED輸出隨時(shí)間和溫度的變化而改變，比例的變動(dòng)在一定程度上存在漂移。加入光學(xué)反饋環(huán)路控制幅度后，LED可大幅降低光隨溫度變化而改變的程度，甚至使單通道精確測(cè)量成為可能。圖7表示典型200個(gè)樣本采集期間的參考通道與樣本通道讀數(shù)之比。

　　圖6. 校準(zhǔn)后的比例讀數(shù)（開(kāi)啟紅色LED，樣本和參考容器中有蒸餾水）