模拟电路工程化设计 第三部分 设计一个简易多功能仪器的模拟链路和供电系统

项目要求

• 基于 STM32G4 系列 MCU（假设存在的主控）
• 支持双通道任意波形输出，频率最高为 1MHz、幅度能够达到 10Vpp
• 支持双通道数据采集，频率最高为 1MHz，幅度范围为 5mVpp 到 50Vpp
• USB2.0 端口供电

实现功能

• 5V转3.3V
• 5v转6.0V
• 5V转-6.0V
• DAC输出信号调理，0-3.3V平移到-5V~5V
• ADC输入信号调理，5mVpp-50Vpp衰减或增益到0-3.3V范围内

DAC输出

要实现1MHz信号的输出，选择STM32的DAC工作在unbuffer模式下，这时DAC有15Msps的采样率。DAC由STM32G4的Vdda脚供电，正参考电压Vdda，负参考电压0V，DAC输出范围0-3.3V。

DAC输出先使用Sallen-key滤波器进行低通滤波，滤波后降低1.5V使电压在GND对称摆动，再且放大3.2倍满足题目10Vpp要求。

1.5kohm电阻和1.8kohm电阻分压后，经过电压跟随器缓冲电路，输出1.5V电压。如果不经过电压跟随器缓冲，有可能导致参考电压错误，和后级的1kohm分压导致放大电压不准确。

这里是一个Sallen-Key滤波器。Sallen-Key滤波器的原理可以参考ADI的应用笔记 MT222，在这种结构中，滤波器的性能对运算放大器性能的依赖程度最低。由于运算放大器配置为放大器而非积分器，因此最大限度降低了其增益带宽积的要求。也可以直接选择使用ADI的设计工具，输入需要的通带和阻带，还有滤波器响应，可以自动设计滤波器的级数和电阻电容的参数。

现在使用一种更简单的方法设计Sallen-key滤波器。我们选择R3 = 0，R1 = R2, C1 = C2， Vo / Vin的响应就是一阶的巴特沃斯滤波器。R = 10k，C = 16pF，-3dB带宽就是1MHz。

digi-key提供了一个计算器可以快速计算一阶巴特沃斯滤波器的参数，给出两个参数可以计算出第三个参数。https://www.digikey.cn/zh/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-low-pass-and-high-pass-filter

这里选取一个减法电路 计算结果是Vout = (Vdac - 1.5V)*3.2k/1k，这样就可以将0-3V的DAC输出信号转换成-5V~5V。满足题目中10Vpp和1MHz的要求。后级接一个20kohm的电阻来模拟真实的负载。

ADC输入

先考虑电压输入范围，STM32G4支持单端和差分输入，这里选择单端输入方便一些。Vref+直接连接3.3V，Vref-连接到0V，ADC的输入范围就是0~3.3V。

在考虑ADC的精度，这里有个参数是ENOB。ADC的ENOB指的是ADC的有效位数。在任意示波器中，有些ADC位是没有意义的，它们只能在噪声中工作。因此，决定示波器测量质量的是ENOB而不是ADC位数。向下取整取10bit的ENOB，3.3V/2^10 = 3.22mV < 5mVpp, 满足测量5mVpp的题目要求。

这里用2个ADG612来选择衰减系数。分别是100:1和10:1。三个电阻相加100kohm + 900kohm + 9Megohm = 10Megohm，输入阻抗约等于这里的10MegOhm。

在进行增益放大，选用同相比例相加电路，用2个ADG612来切换放大倍数，分别是1:5和1:10。衰减电路和放大电路结合能实现20倍衰减、10倍衰减、2倍衰减和1倍衰减。测量50Vpp信号时使用20倍衰减挡位，测量5mVpp使用1倍衰减。

这里产生一个-1.5V的电压。再经过这里的反向比例相加，将衰减后的信号抬升1.5V，将双极性信号转换成单极性信号，以满足STM32G4的ADC输入范围。再用一个截止频率1MHz一阶RC低通滤波器，滤除通带外的信号。

运放选型

AD823支持轨道轨输出，并且供电电源3V~36V，满足10Vpp的信号要求，供电电路选择+6V和-6V双电源供电，预留1V的裕量，单电源供电会降低运放的带宽。AD823具有16MHz的-3dB带宽，和22V/us的压摆率。并且具有16nV/√Hz(10 kHz)的低噪声。这样的交流和直流性能组合以及出色的负载驱动能力使得该器件成为一款出色的多功能放大器，适合ADC驱动器、高速有源滤波器和其它低压、高动态范围系统等应用。

模拟链路实验结果

ADC输入0V偏置，50Vpp峰峰值，信号频率10kHz。DAC输出1.5V偏置3Vpp峰峰值，信号频率10kHz。可以看到电路输出结果基本正确。但是，频域实验结果不理想，到1MHz时信号衰减较大，应该是运放的频域衰减较大，选择更高-3dB带宽的运放可以改善。

电源

电源输入是USB+5V供电，根据之前的模拟电路分析，现在需要3.3V给STM32G4供电，+6V和-6V给模拟开关ADG612和运放AD823供电。供电电路比较简单，使用三颗开关电源管理芯片，2颗ADP2503和1颗ADP2138。

实际仿真文件中ADP2138的纹波不是很大，大约在几十mV，所以没有在ADP2138后面再接一级LDO。

+5V升+6V选择ADP2503，这是一颗Buck-Boost拓扑结构的DCDC变换芯片，输入电压2.3V~5.5V，在DIGIKEY的官网上搜索 adi boost 再按库存排序，找到了这款芯片。输入电压2.3V至5.5V。要获得-6V的电压，只需要把相同的+6V的DCDC电路的GND和Vout对换。+5V降+3.3V使用ADP2138，输入电压2.3V至5.5V，峰值效率95%，800mA，24uA低静态电流。选择具体型号从ADP2138-3.3可以节省两个电阻，减少反馈环路的面积。设计更方便。

电源实验结果

320us输出电压分别达到+6V、-6V和+3.3V。这里电源和模拟链路分开仿真，电源和模拟链路在一个文件里仿真跑起来特别卡，所以分成两个文件。

总结

选择运放也不是很容易，满足性能要求、digikey在售、支持LTspice仿真这几个条件都要满足。设计模拟链路的时候也有很多选择，既可以选择同相相加也可以选择反相相加。比较不同运放不一样的接法之间由不一样的选择。输入阻抗是不一样的，噪声大小也不一样。电源芯片也不是很好选择，平时喜欢用一写低成本的国产电源管理芯片，按照销量排个序在销量最好的那几个芯片之间选就可以了。这里ADI的DCDC甚至有mA级别的开关电源，平时用的都是A级别，差了一个数量级。ADI的开关电源芯片把反馈电阻做到了芯片内部，确保了反馈环路最小，引入的噪声也小，也提高了EMI性能。同时我也学习到了LTSpice的一些使用技巧，电源电路和模拟前端电路在瞬时仿真时间上差距较大，放在一起仿真极大的增加了计算量，可以分开仿真。

LAYOUT部分在课程里没有提到，我觉得这是比较遗憾的一部分。之前做东西的时候深知LAYOUT对模拟前端的重要性。ADI有很多优秀的文档会讲解LAYOUT部分。没有能实际做出来也是比较遗憾的，我相信如果我的这个方案实际做成电路会有更多的问题。最近全新的STM32G431CBU6已经降到了9块钱一颗，可以尝试一下。