电路笔记 CN-0312 连接/参考器件 AD8615/ AD8618 3通道、低噪声、低功耗、16位、 Σ-Δ型ADC，内置片内仪表放大器 精密单通道/四通道轨到轨输入/ 输出运算放大器 ADR4525 超低噪声、高精度2.5 V基准电压源 AD8271 可编程增益精密差动放大器 ADG633 CMOS、±5 V/+5 V/+3 V、三路SPDT开关 ADG733 CMOS、2.5 Ω、低电压、 三路SPDT开关 AD7798 Circuits from the Lab™ reference circuits are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0312. 带可编程增益跨阻放大器和同步检波器的双通道色度计 评估和设计支持 该电路针对许多化学分析和环境监控仪器提供有效的解决 电路评估板 方案，这些仪器仪表用于通过吸收光谱测量浓度和表征材 CN-0312电路评估板(EVAL-CN0312-SDPZ) 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单 料。 光电二极管接收器调理路径包括可编程增益跨阻放大器， 用于将二极管电流转换为电压，并允许分析光吸收情况大 不相同的不同液体。16位Σ-Δ型模数转换器(ADC)提供额外 电路功能与优势 的动态范围，确保宽范围光电二极管输出电流具有足够的 图1所示电路是一个双通道色度计，集成调制光源发射器 分辨率。 和同步检波器接收器。电路以三种不同的波长测量样本与 参考容器的吸收光线之比。 使用调制光源和同步检波器而非恒流(直流)源可消除环境 光线和低频噪声产生的测量误差，并提供更高的精度。 Rev. 0 Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0312 15pF GUARD RING LED_CLK 33kΩ 4.7pF VREF +5V 1MΩ ADG633 ADG633 +5V AD8271 0.22µF AD8615 ADG733 AD8615 10kΩ VREF +5V +5V ADG733 VREF +VS AD7798/ AD7799 VREF VREF 0.1µF REFERENCE 0.1µF 10kΩ LED_CLK –VS 1µF +3.3V AIN1+ AIN1– VREF DOUT/RDY AIN2+ CHAN0_G0/G1 VREF DIN AIN2– SCLK AIN3+ BEAM SPLITTER CS AIN3– SAME AS CHANNEL 1 10kΩ 10kΩ SAMPLE VREF REFIN(+) 10kΩ +5V BLUE AD8618 ADG633 REFIN(–) 0.1µF 0.83V +5V ADR4525 33Ω 10kΩ 10kΩ VOUT VREF 2.2µF VIN 2.2µF LED_CLK_BLUE 42.2Ω GND 11406-001 GREEN CHANNEL RED CHANNEL 图1. 带可编程增益跨阻放大器和锁定放大器的双通道色度计 (原理示意图：未显示所有连接和去耦) 电路描述 决于反馈电阻和光电二极管分流电阻。此外，流经光电二 AD8618四通道运算放大器形成三个简单的电流源，以恒定 极管的任何运算放大器输入电压失调都会导致光电二极管 电流驱动LED。EVAL-SDP-CB1Z产生5 kHz时钟，通过单刀 暗电流的增加。 双掷(SPDT)开关ADG633调制一个LED，以便打开或关闭 图2显示带单反馈电阻的典型跨导放大器及其理想传递函数。 ID 在不用时将其关闭。 ID 波束分离器将一半光线通过样本容器发送，另一半通过参 考容器发送。取决于每个容器中介质的类型和浓度，容器 RF IB VO = ID × RF VD = 0V 可吸收不同量的光。每个容器另一侧的光电二极管产生少 量电流，数量与接收到的光量成比例。 11406-002 其电流源的基准电压。将另外两个LED的电流源设为0 V可 图2. 跨导放大器传递函数 每条通道的第一级包含AD8615运算放大器，该运算放大器 由于某些受测溶液可能具有非常强的吸收特性，因此有时 配置为跨阻放大器，可将光电二极管输出电流转换为电 需要使用大反馈电阻以测量光电二极管产生的极小电流， 压。AD8615作为光电二极管放大器，是一个不错的选择，因 同时要能够测量与高度稀释溶液相对应的大电流。为了解 为它具有极低的输入偏置电流(1 pA)、输入失调电压(100 μV) 决这一难题，图1中的光电二极管放大器含有两个不同的 和噪声(8 nV/√Hz)。虽然信号随后经交流耦合，在本级中尽 可选增益。其中一个增益设为33 kΩ，另一个设为1 MΩ。当 量减少直流误差依然很重要，这样可避免损失动态范围。 单SPDT开关连接运算放大器的输出端以便开关反馈电阻 运算放大器输入偏置电流乘以输出端的反馈电阻值，作为 时，ADG633的导通电阻可能导致跨阻增益误差 失调电压。带增益输出端上的运算放大器输入失调电压取 Rev. 0 | Page 2 of 7 CN-0312 为了避免这个问题，图3显示了一种较好的配置，在该配 置中，反馈环路内部的ADG633选择所需电阻，同时第二 个开关将系统下一级与所选反馈环路相连。放大器输出端 的电压为： 每通道的增益设置可通过EVAL-SDP-CB1Z板独立选择。 下一级是简单缓冲交流耦合滤波器。滤波器截止频率设为 7.2 Hz；它移除所有输出失调电压，并衰减白炽灯和荧光灯 以及其它所有进入光电二极管的杂散光造成的低频光污 VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × RFEEDBACK 染。同时，ADR4525的输出还将该电路偏置到2.5 V；因此， 该级的输出信号摆幅标称值范围为1.25 V至3.75 V。 而非 VTIA OUTPUT = IPHOTODIODE × (RFEEDBACK + RON ADG633) 紧随交流耦合滤波器之后的电路为同步整流器电路，采用 它表示增益误差。但是，由于其中一个ADG633位于反馈 AD8271差动放大器和ADG733三路SPDT开关组成。ADG733 环路之外，该级的输出阻抗即为ADG633的导通电阻(通常 内部开关与AD8271的内部10 kΩ增益设置电阻串联；因此， 52 Ω)，而非与闭环工作时运算放大器输出有关的极低输出 ADG733的4.5 Ω最大导通电阻造成的增益误差仅为0.05%， 阻抗。 并且温度漂移低于1 ppm/°C。 请注意，出于稳定性考虑，要求使用反馈电容CFx，以补偿 系统的其余部分使用ADG633开关，因为它们具有极低的 总输入电容(二极管电容加上运算放大器输入电容)以及反 泄漏电流和较低的寄生电容。 馈电阻RFx产生的极点。有关此分析的详情，请参见传感器 当驱动LED的时钟处于高电平状态时，ADG733内的开关 信号调理实用设计技巧中的第5部分。 将根据如下简单传递函数配置AD8271： 哪怕诸如AD8615这类最好的轨到轨输出放大器都无法完全 摆动输出至电轨。此外，AD8615上的输入失调电压可以为 负，虽然其数值非常小。ADR4525基准电压源将光电二极 管和放大器偏置到2.5 V，而非使用负电源确保放大器不会 被削波，从而可驱动至0 V。电路板的模拟和数字部分采用 5 V线性调节器供电。 VO = VIN 其中： VO为同步检波器的输出。 VIN为同步检波器的输入，范围为2.5 V至3.75 V。 在该配置下，同步整流器用作单位增益放大器。 当驱动LED的时钟处于低电平状态时，ADG733内的开关 CF1 将根据如下传递函数配置AD8271： RF1 CF2 VO = 2VREF − VIN ID 其中： ID RF2 ADG633 VREF为ADR4525的2.5 V输出。 ADG633 VIN范围为1.25 V至2.5 V。 VO = ID × RF2 11406-003 V' = ID × (RF2 + RON) 这种情况下，当输入为1.25 V时(交流耦合级可输出的最小电 压)，同步整流器的输出为3.75 V；而当输入为2.5 V时(交流 图3. 可编程增益跨导放大器 耦合级的中间电平)，同步整流器的输出为2.5 V。在这种配 光电二极管放大器输出电压可在2.5 V至5.0 V范围内摆动。 置下，同步整流器的增益为−1，并且在+2.5 V基准电压附近 对于33 kΩ范围而言，2.5 V输出范围对应满量程光电二极管 偏置。 的电流值为75.8 μA。对于1 MΩ范围而言则对应2.5 μA。使 用1 MΩ的增益设置进行操作时，重要的是保护光电二极管 不受外界光线影响，以防放大器饱和。虽然下文所述的同 步整流器可极大地衰减任何不与LED时钟同步的频率，但 如果上一级被衰减，则它无法正常发挥作用。 Rev. 0 | Page 3 of 7 CN-0312 5.0V 2.5V 0V 5.00V 5.00V 5.00V 3.75V 3.75V 3.75V 2.50V 2.50V 2.50V 1.25V 1.25V 1.25V 0V 0V 0V ×2 2.50V AC COUPLING Σ-ΔADC SYNCHRONOUS DETECTION 11406-004 TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER 图4. 每步的系统框图和时域波形 图4为系统框图，并标出了每级的电压范围。同步整流电 为了验证前端电路不会对系统产生过大的噪声，数据在 路处理后的结果为可变直流电压，变动范围为2.5 V(没有光 LED禁用时采集。同步检波器依然工作在LED时钟频率 线到达光电二极管)至3.75 V(满量程光输入)。该输出电压对 下，但不会检测到任何与该时钟同步的光信号。因此，它 应1.25 V的满量程输出摆幅。 可移除除了AD8271和ADC产生的误差之外的所有直流和 该电路过滤频率不与LED时钟同步的信号(或奇次谐波，因 为时钟波形为方波)。在频域中，AD8271输出端的低通滤 波器看上去像一个LED时钟频率附近的带通滤波器。该滤 波器的带宽越低，同步整流器就越能抑制带外噪声。出于 噪声抑制和建立时间的权衡考虑，该滤波器的截止频率设 交流信号。图5显示该配置下的噪声，它针对单个通道的 数值低于1 LSB(ADC输入在两个代码之间置中)，针对另一 个通道为1 LSB峰峰值(ADC输入在两个相邻代码之间位于过 渡区域)。此外，需注意测量电压为负，数值为几个mV， 这是符合AD8271典型失调误差分布的预期性能。 –50 为16 Hz。必须说明，该滤波器带宽约等于LED时钟。例 REFERENCE CHANNEL 如，若LED调制为5 kHz，则同步检波器的3 dB通带范围为 –80 4.984 kHz至5.016 kHz。 集成内置的可编程增益放大器(PGA)，具有差分输入。将 2.5 V基准电压源与AIN引脚相连，并将PGA增益设为2以便 允许它把同步整流器的2.5 V至3.75 V输出映射为满量程16位 输出。此外，AD7798的输出滤波器还提供50 Hz和60 Hz下 的最低65 dB抑制，进一步衰减同步检波器的所有噪声。 –120 –140 –160 –180 SAMPLE CHANNEL –200 –220 –250 0 20 40 60 80 100 120 140 SAMPLES 图5. LED源禁用时的ADC电压 Rev. 0 | Page 4 of 7 160 180 200 11406-005 系统最终级为低噪声、16位、Σ-Δ型ADC AD7798。该ADC ADC VOLTAGE (µV) –100 CN-0312 常见变化 设备要求 改变光电二极管放大器上反馈电阻的数值即可改变放大器 需要以下设备： 增益。这是一种自定义电路的简单方法，可用于不同光照 • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista(32位)或 Windows 7(32位)PC 水平的特定应用。然而，补偿电容也必须改变，以保持带 宽，保证放大器的稳定性。 • EVAL-CN0312-SDPZ评估板 对于极低水平光照测量系统而言，同步检波器的低通滤波 • EVAL-SDP-CB1Z评估板(SDP) 器其截止频率可设为低得多的频率值，以便具有最佳性 能，但代价是测量周期较长。 由于LED的光输出随温度变化而改变，系统以样本和参考 • 6 V至12 V直流、500 mA电源 • CN-0312评估软件 • 蒸馏水和测试液体样本 通道的比例进行测量。光电二极管的增益容差最大值为 开始使用 ±11%；因此，由于LED输出随时间和温度的变化而改变， 将CN-0312评估软件放进PC的光盘驱动器，加载评估软 比例的变动在一定程度上存在漂移。加入光学反馈环路控 件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件光盘的驱动器， 制幅度后，LED可大幅降低光随温度变化而改变的程度， 打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用 甚至使单通道精确测量成为可能。图7表示典型200个样本 评估软件。 采集期间的参考通道与样本通道读数之比。 功能框图 1.00025 图8显示测试设置的功能框图。EVAL-CN0312-SDPZ-SCH pdf文件提供了完整电路原理图。此文件位于CN0312设计 1.00020 1.00015 PC USB USB CON A OR CON B 0.99995 0 20 40 60 80 100 120 140 160 SAMPLES 180 200 11406-006 1.00000 图6. 校准后的比例读数(开启红色LED， 样本和参考容器中有蒸馏水) LEDs 120-PIN SDP 1.00005 J2+ EXTERNAL 6V DC TO 12V DC D2 BEAM SPLITTER SAMPLE CONTAINER EVAL-SDP-CB1Z D3 PHOTODIODES (NOTICE CORRECT ORIENTATION OF ANODE TAB) EVAL-CN0312-SDPZ 电路评估与测试 图7. 测试系统功能框图 本电路使用EVAL-CN0312-SDPZ评估板和EVAL-SDP-CB1Z 设置 系统演示平台(SDP)评估板。 CN-0312评估软件与EVAL-SDP-CB1Z通信，以从EVALCN0312-SDPZ捕捉数据。 J2– REFERENCE CONTAINER 11406-007 1.00010 120-PIN SDP REFERENCE/SAMPLE 支持包中。 将光电二极管引脚弯折90°，然后插入D2与D3中。有关每 个光电二极管阳极端子的正确朝向请参见图8。 一旦完成安装，确保光电二极管位置距离印刷电路板 (PCB)约15 mm。 将EVAL-CN0312-SDPZ上的120引脚连接器连接到EVALSDP-CB1Z上的CON A连接器。将外部6 V至12 V直流电源 连接到EVAL-CN0312-SDPZ的J2上，并将随EVAL-SDPCB1Z提供的USB电缆从EVAL-SDP-CB1Z连接到PC上的USB 端口。EVAL-SDP-CB1Z从PC的USB端口取电。 Rev. 0 | Page 5 of 7 CN-0312 测试 0.7 开启外部电源，启动评估软件程序。如果设备管理器中列 0.6 器，软件将能与EVAL-SDP-CB1Z通信。一旦USB通信建 立 ， EVAL-SDP-CB1Z就 可 用 来 发 送 、 接 收 、 采 集 来 自 EVAL-CN0312-SDPZ的并行数据。 CN-0312评估软件Readme文件包含有关如何使用评估软件 ABSORBANCE (A.U.) 出了Analog Devices, Inc., System Development Platform驱动 0.5 0.4 0.3 0.2 采集数据的详细信息。SDP用户指南(UG-277)包含有关 0 系统需进行一次初始校准，以便补偿波束分离器与光电二 下拉菜单中选择启动校准序列。软件每次开启三个LED中 的一个，然后测量到达参考和样本光电二极管的接收光。 针对每种LED颜色，软件都将乘法器计算在内，因此有： VREFERENCE_CHANNEL VSAMPLE_CHANNEL 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 图8. 470 nm光下黄色5号染料的吸光度直线 配。若要校准系统，以蒸馏水填充两个容器，然后插入 PCB的方孔中。为全部两个通道选择33 kΩ增益，并在校准 0 VOLUME CONCENTRATION (ml/ml) 极管之间的对齐误差，以及补偿光电二极管的所有响应失 11406-008 0.1 EVAL-SDP-CB1Z的信息。 无需使用有害化学物质即可验证该理论的简单方法，是测 量食用色素的染料浓度。图9显示采用EVAL-CN0312-SDPZ 进行测量时，黄色5号染料不同浓度的实验结果。黄色溶 液可强烈吸收蓝光；因此，测量采用蓝光(470 nm) LED作 为光源。X轴表示体积浓度(每毫升水中染料的毫升数，因 K =1 此X轴没有单位)，Y轴表示吸光度。根据比尔-朗伯特定律 的预测，吸光度随浓度呈线性变化。 其中，K表示经计算得出的校准常量。完成校准后，软件 除了浓度测量，该电路板还可根据不同波长下的光吸收情 在后续测量中均使用该校准常量。 况表征并鉴别介质。从自动数据采集下拉菜单中选择分析 在光谱技术上，吸光度定义为到达被测介质的光与通过介 质传递的光的对数之比。根据比尔-朗伯特定律，通过介质 传递的光量随通道长度和浓度的增加而以指数规律递减。 通过将吸光度定义为对数，可使得它与介质的浓度直接成 比例(假设通道长度不变) 样本，测量每种颜色，并在前面板上显示结果。可行的方 法是建立已知物质的数据库，然后将未知样本与数据库中 的物质相匹配。例如，一般可采用pH测量溶液，它会根据 pH值改变颜色。通过建立已知pH值的数据库，系统便可 鉴定样本的颜色，并与正确的pH值匹配。 Rev. 0 | Page 6 of 7 11406-009 CN-0312 图9. EVAL-CN0312-SDPZ和EVAL-SDP-CB1Z照片 了解详情 数据手册和评估板 AD7798 Data Sheet CN-0312 Design Support Package: http:/www.analog.com/CN0312-DesignSupport AD8615 Data Sheet Kester, Walt, Wurcer, Scott, Kitchin, Chuck. High Impedance Sensors, Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning, Section 5, 1999. Skoog, Douglas A., F. James Holler, and Stanley R. Crouch. “An Introduction to Spectrometric Methods.” Instrumental Analysis. USA: Brooks/Cole, Cengage Learning, 2006. AD8271 Data Sheet ADG633 Data Sheet ADG733 Data Sheet ADR4525 Data Sheet 修订历史 2013年3月—修订版0：初始版 (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab circuits are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN11406sc-0-3/13(0) Rev. 0 | Page 7 of 7