模拟电路设计课程-实战项目1

1. 任务目标

• 使用ADALP2000中的器件，实现音频信号采集前端电路

• 性能指标

  • 信号幅度：0.1mVpp到1Vpp

  • 信号频率：100Hz到16kHz

• 电路模块

  • 带通滤波器滤去低频和高频

  • ADC采用AD7920，96ksps采样率

  • 抗混叠滤波器，设计合适的截止频率

  • 使用MicroUSB接口供电，供电电压5V

  • 采用麦克风作为前端输入（或3.5mm）

  • 采用3.5mm耳机接口输出，连接音箱或者示波器

• 采用LTSPICE或CircuitJS对电路进行仿真

• 实物测试

2. 前期准备

ADALP中可用的器件整理

AD7920ADC

无spice模型

AD7920是ADI公司的一款ADC芯片，应用于低电压

性能指标如下

• 单通道

• 250kSPS（可以用于带宽在80Khz以下的信号处理）

• 12bit

• SC70封装（6引脚）

• 2.35V到5.25V单电源供电

• 3.6mW到12.5mW功耗

• SAR型ADC

其他性能指标

• 输入动态范围0-Vdd

• 最大直流漏电流+-0.5uA

• 输入电容大小20pF

• MSOP封装，8管脚

   

芯片/模块管脚一致如下

编号	名称	功能	注意事项
1	VDD	2.35V-5.25V电源
2	SDATA	数据输出，串行数据
3	_CS	片选信号，低电平芯片工作
4	NC
5	NC
6	SCLK	作为串行输出的时钟，同时作为时钟源
7	GND	模拟地，所有输出的参考地
8	VIN	单端输入，动态范围0到Vdd

 

AD8210高压双向电流检测监控器

有spice模型

ADP3300 3.3V 50mA 线性稳压器

无spice模型

不推荐用于新设计

可以提供5V转3.3V，受限连线及电容，面包板上推荐直接用5V电源

AD8542 双路轨到轨运放

有LTSpice模型

性能指标如下

• 单电源供电2.7V-5.5V

• 带宽1Mhz

• 单位增益稳定

• 轨到轨输入输出

• 8542为双路

• 低电流47uA

芯片/模块管脚一致如下

编号	名称	功能	注意事项
1	OUTA		摆率0.8V/us GBP=980khz 相位裕度=64、Imax=30mA
2	-INA
3	+INA
4	V-		接地
5	+INB
6	-INB
7	OUITB		摆率0.8V/us GBP=980khz 相位裕度=64、Imax=30mA
8	V+	电源	2.7V到5.5V

AD8226 仪用放大器

有LTSpice模型

轨到轨输出、仪用放大器

性能指标如下

• 单通道

• 通过外部电阻配置增益

• 宽供电范围2.2V-36V

• 带宽1.5Mhz（增益1时）

• 共模抑制比90db

• 噪声22nV/\sqrt{Hz}

• 8-lead MSOP封装

增益配置

R_G=\frac{49.4k\ohm}{G-1}

1%的增益电阻 R_G (Q)	增益大小
49.9 k	1 990
12.4 k	4.984
5.49 k	9.998
2.61 k	19.93
1.00k	50.40
499	100.0
249	199.4
100	495.0
49.9	991.0

芯片/模块管脚一致如下

编号	名称	功能	注意事项
1	-IN	负输入	摆率0.8V/us GBP=980khz 相位裕度=64、Imax=30mA
2	R_G	增益配置	将两个R_G端之间接增益电阻
3	R_G	增益配置
4	+IN	正输入
5	-Vs	地	接地
6	REF	输出参考基线	必须通过低阻节点驱动，建议采用运放驱动一次
7	Vout
8	+Vs	电源	2.7V到5.5V

ADTL082JFET输入双运放

有LTSpice模型

性能指标

带宽5Mhz

供电8V-36V（不适用）

芯片/模块管脚一致如下

编号	名称	功能	注意事项
1	OUTA	A输出
2	-INA	A负输入
3	+INA	A正输入
4	-V	地
5	+INB	B正输入
6	-INB	B负输入
7	OUTB	B输出
8	+V	电源

AD584电压参考

10mA电流输出能力

可作为14bitADC的电压参考源

性能指标

• 单电源供电4.5V-30V

• 4个参考电压，10V，7.5V，5V，2.5V

• 适用于滤波器

芯片/模块管脚一致如下

编号	名称	功能	注意事项
1	10V
2	5V
3	2.5V
4	COMMON	地
5	STROBE
6	VBG
7	CAP
8	+V	电源

OP484运放

有LTSPICE模型 OP284

性能指标

• 轨到轨输入输出

• 4通道

• 单电源供电

• 4Mhz带宽

•  

OP482JFET输入运放

有SPICE模型

性能指标

• 4Mhz带宽

• 单电源供电

• 4通道

• 适用于滤波器

OP97 低失调高精度运放

• 带宽0.9Mhz

• 正负电源供电

OP27、OP37 已停产、低噪声低失调运放

8ohm的磁铁喇叭

ZVP2110P型MOS罐，导通电阻8ohm

ZVN2110N型MOS管，导通电阻4ohm

麦克风HCM9765-P11-4532V有源麦克风

SJ-43515TS-SMT-TR3.5mm耳机接口

现在常见的耳机接口都是 3.5mm 音频接口，分为 3-pole 和 4-pole 两类，而 4-pole 中又分 Standard 和 OMTP 两种型号。这是美国人的叫法，国内一般把 OMTP 称为国标，而把称 Standard 为 CTIA 或美标。一般来说，Standard 型号的耳机插头上的塑料环是白色的，而 OMTP 型号插头上的塑料环是黑色。见下图：

其中，3-pole 的接口，顾名思义在插头上只有 3 个触点，从尖端到根部依次是左声道、右声道、电源地，所以这种接头的耳机不支持麦克风。而 4-pole 的接口支持麦克风，但从上图可以清晰地看出，Standard 型号和 OMTP 型号的插头，其麦克风触点与电源地触点的位置正好相反。这就是为什么当我们将 OMTP 插头耳机插入 Standard 接口时，声音听起来不正常，但按下耳机上的通话按键时却又好了。

直插电阻

电容

音频信号及其特点

 声音是一种波动，当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时，声音的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就产生了声波，这种现象会一直延续到振动消失为止。 
 声音总可以被分解为不同频率不同强度正弦波的迭加。这种变换（或分解）的过程，称为傅立叶变换。因此，一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹（Hz）之间。高于这个范围的波动称为超声波，而低于这一范围的称为次声波。
 ​

 音波常简化为正弦平面波的合成，各平面波可以用以下的性质来描述：
 ​
 频率：频率越大，音调越高；频率越小，音调越低。（介质相同时，f和λ成反比）
 波长：波长越短，音调越高；波长越长，音调越低。（介质相同时，f和λ成反比）
 波数
 振幅：振幅越大，音量（响度）越大；振幅越小，音量越小。
 声压
 音强
 音速
 方向
 音色：即波形
 人耳可以感知到的声音，其频率范围为20 Hz至20,000 Hz，在标准状况下的空气中，上述音波对应的波长从17 m至17 mm之间。有时音速及其方向会用速度向量来表示，波数和其方向则会用波矢表示。
 ​
 当发音体越短、越细、越紧、越薄时，音调越高、频率越大、波长越短；发音体越长、越粗、越鬆、越厚时，音调越低、频率越小、波长越长。

综上，人耳可感知音频范围为20Hz到20KHz，但过高频率与过低频率均存在年龄段差别，且容易引起不适。临床上将听力测试的范围定为125Hz到8KHz。

3. 设计过程

电路结构拟采用一级无源高通滤波，滤除基线及低频信号，一级低通滤波，去除混叠信号，防止高频谐波分量被ADC采集造成失真。之后直接采用AD7920（单端输入ADC）进行采集。在ADC前侧。

3.1 低通滤波器的设计

滤波器的设计是模拟电路设计的一个难点，好在ADI作为最大的元器件供应商，在其官网也提供了许多易用的工具。我们在这里采用ADI的滤波器设计向导来进行低通级的设计。

ADI滤波器设计向导进行低通滤波器设计，如下步骤所示

选择类型

在这里选择低通滤波器

滤波器详细设定

根据设计指标

 信号幅度：0.1mVpp到1Vpp
 信号频率：100Hz到16kHz

低通滤波器的供电为5V，但需要提供一个工作电平，该电平推荐采用2.5V，因此，实际电路工作电压范围为2Vpp。

因此低通滤波器建议采用6dB设计，则1Vpp的输入信号可以扩展到2Vpp，计算依据如下

20lg(Vout/Vin) db=20lg2 db=6 db

信号频率为16KHz，则希望在16Khz以下的信号不能有过大的衰减，-3dB对应的是原始信号的0.707倍（以功率来说就是半功率点），将通带设定为-3dB 16Khz可以满足提出的设计指标

阻带即阻止信号通过的频带，换句话说就是阻带的信号要被衰减到最小，理想的滤波器其频率特性应当如如下图所示。但实际情况下，一阶低通滤波会使信号在10倍频程衰减20dB，也就是说，越高的阶数，衰减越快。但注意，这里有一个矛盾：

 低通有源滤波器通常由运放构成，一个运放最多能构成两阶的低通滤波器，也就是十倍频程-40dB。采用多个运放可以构成多阶滤波器，但会增加功耗、引入噪声，失调失真等也可能更严重。在实际应用中一般滤波器阶数不会高于五阶，运放的数量也会控制在3个以内。

据此，滤波器的阶数尽量控制在四阶以内，运放数量为2个以内。

第二个问题是，滤波器函数的选型：切比雪夫型滤波器，巴特沃斯型滤波器，及贝塞尔滤波器

 切比雪夫型滤波器
 当阶数与系数选择合理时，在通带内，增益随信号频率抖动，尽管人耳可能听不出其中明显的差别，甚至可能觉得存在一点混响，（个人理解）。
 当阶数选择不合理时，在通带与阻带的交界处，会出现明显的增益变大，可能导致高频处的声音略微有些刺耳。（个人理解）
 切比雪夫的优点是，同样的阶数，高频衰减更快，能用更少元件实现更好的滤波效果

例1，如下图用两阶实现了，在18kHz的时候，衰减为原信号的1/4，但缺点就是，低频与高频信号完全是两个极端。

例2，当把18kHz信号的衰减，放宽到-6dB（原信号的一半）时，0.1dB纹波的四阶（2个运放）切比雪夫滤波器就可以很好的实现需要的功能。

 巴特沃斯型滤波器
 在通带内，信号十分平坦，可以认为巴特沃斯是0dB纹波的切比雪夫滤波器，优点带内增益平坦，滤波效果一致，真实还原声音大小。（个人理解）
 缺点是需要的衰减阶数略微多那么一点点。

例3，实现与例2接近性能的滤波器，巴特沃斯得用五阶（3个运放），这就比较费电费钱了。

 贝塞尔型滤波器
 贝塞尔滤波器是基于贝塞尔函数构建的，通过对函数泰勒展开，在同一阶就一种泰勒展开形式。所以纯贝塞尔滤波器的函数是固定的。
 贝塞尔滤波器的缺点很明显，在通带与阻带交界处，变化不明显，可能导致高频信号衰减的不完全，如果有高频的信号，其衰减特性是缓慢衰减。而实现同样的阻带性能，需要的滤波器阶数往往过高。
 但贝塞尔滤波器有一个其他滤波器都不具备的优点，就是群延迟（group delay）恒定。
 滤波器的设计一般只看的是增益db图，而很少看相位图，我倒是觉得相位也是音频中很重要的一环。
 群延迟指的是，不同频率的信号，通过滤波器后产生的延时不一致。例如高频的信号，通过滤波器后到达人耳需要2ns，而低频信号可能需要3ns，这就导致，声音出现了混响，会使得声音不纯粹，听上去浑浊的很（大部分人听个响，当然这是个玄学问题，毕竟火电燥、水电浑、核电清脆、手摇电纯粹）

例4，实现与例2接近性能的滤波器，贝塞尔型到22kHz,信号才能降到原来的一半。

综合以上，为了还原声音，我们迫不得已，牺牲一些带宽，我们选择了例4中的滤波器，选择了清晰动人的贝塞尔滤波器。

对于高频（16kHz）信号的衰减问题，完全可以在数字域进行处理，即使用DSP对16kHz及以上的频率进行增益补偿与衰减。所以，我认为这个滤波器频率选择较为合理。

运放选择

ADALP2K套件中提供的元件如上分析，其中双运放芯片AD8542是最合适的，其指标再次列举如下

 - 单电源供电2.7V-5.5V
 - 带宽1Mhz
 - 单位增益稳定
 - 轨到轨输入输出
 - 8542为双路
 - 低电流47uA

带宽、增益都满足需求。

据此，在 元件选择这个环节，将2级四阶贝塞尔滤波器的主放大器选择为AD8542,

得到的电路图如图所示

注意，在这里有sallen key和MFB两种实施（实现）方式。

 sallen key与MFB（多重负反馈）均是实现滤波器的一种电路结构，所不同的是
 区别1：
 sk中，运放是工作在电压放大模式，因此带宽的需求较低，达到滤波器带宽5倍就足够了
 而MFB中，运放工作在积分模式，运放带宽需10倍以上才能取得较好效果。
 区别2：
 SK中对元件匹配精度要求高，元件数值敏感。
 而MFB中，元件数值不敏感，10k电阻和11k电阻引起的带宽误差较小。

采用面包板搭建电路，板上环境比较恶劣，可能严重影响运放带宽，保险起见，SK结构更为实用。

基准源选择

图中，额外多了一个电路是个参考电压电路，用来提供AD8542工作的基线电平，这个需要一个低阻抗的2.5V参考电压，可以通过AD584实现。

AD584内部实质是一个精确参考电压加一个驱动运放组成，可以提供低阻抗的参考电平。

阻容元件选择

一般来说，电容的精度远低于电阻，常见的陶瓷PLCC表贴电容，容差最差能到10%，而电阻精度普遍采用E96，即精度达到1%，综合来看，更大的电容，其精度越高，因此，两级的电容选项拉到最大。

增益电阻方面，可能需要调节增益，或者更改电平，建议采用电位器，个人倾向采用5k电位器，从中间抽头接反馈，即减少其他元件的使用，5k的负载电阻也不会对运放 造成太大的驱动压力。

低通滤波器结果（sk）

使用Sk搭建两级贝塞尔低通滤波器得到的电路如图所示

LTspice电路图及仿真结果如下图所示

发现元器件（1%精度电阻引起的偏差）偏差，严重影响滤波器通带带宽。

低通滤波器结果（MFB）

使用MFB搭建两级贝塞尔低通滤波器得到的低通滤波器如图所示

表明采用MFB结构，能够有效降低元件误差引起的通差异，贝塞尔滤波效果较好。16kHz约为6dB-3dB=3dB。

受限1%精度的E96电阻元件比较难获得，选择采用E24的电阻来降低元器件的种类。

改变阻值适应到E24阻值后，电路与仿真比对结果如下图所示

图中，E96电阻对应的是绿色频率和相位曲线，E24对应蓝色曲线，E6对应红色曲线，E24和E96的差别并不显著，而E6则主要在高频段的衰减变慢。

结论

根据以上选择，抗混叠滤波器采用MFB构建贝塞尔型2级四阶低通滤波器实现，困难在于外围元件较多，优点在于对于元器件精度要求较低，E24电阻即可满足需求，特殊情况，例如本次实验，可以采用E6代替。

3.2 高通实现

前端采用HCM9765-P11-4532V有源麦克风采集信号

麦克中自带一个隔直电容，直流低频信号会自动被滤除，模拟该电路，电路及仿真结果如下图所示

 

3.3 参考电压电路

电路工作需要一个低阻抗的参考电平，采用AD584构建该电路

AD584内部电路结构如图所示

电路内部实际为一个1.215V的基准源，并通过增益放大产生一个参考电平，当电路供电为5V时，短接1和3端，即可得到5V且具有一定驱动能力的参考电压。

添加spice模型到LTspice，并进行仿真， 可以看出在输出端加了滤波器电容后，输出基线纹波在15mV左右，仍然不够理想。

产生纹波的原因是SK型滤波器中，提供偏置的端口，需要消耗一定的电流，如果采用MFB结构的滤波器，则该参考电平不吃电流，可以考虑采用简单的电阻分压实现该偏置。

3.4 麦克驱动电路

参考手册，驱动该有源麦克风电路如下图，其中，电容C可以充当低频隔直电容

3.5mm 4线耳机接口

理论上来说，只要是 3.5mm 的耳机孔，ctia 和 omtp 的耳机插进去都能正常听声，受影响的是 mic 部分，但是由于设备耳机插孔中触电的位置及大小限制，造成 ctia 的听音的兼容性要高，而 OMTP 第三节定义是 mic，容易和第二节的右声道发生干扰，所以，当 OMTP 耳机插入部分 CATIA 接口的耳机孔中时，耳机音量小，而且人声基本上没有，如果按住耳机 mic 的接听键，motp 听音接收又正常了。

因此，设计的3.5mm接口定义应当采用CTIA标准，既从插头外到内依次是LRGM。

3.5 最终电路图

需要实现的指标如下

 - 使用ADALP2000中的器件，实现音频信号采集前端电路
 - 性能指标
   - 信号幅度：0.1mVpp到1Vpp
   - 信号频率：100Hz到16kHz
 - 电路模块
   - 带通滤波器滤去低频和高频
   - ADC采用AD7920，96ksps采样率
   - 抗混叠滤波器，设计合适的截止频率 （32Khz衰减低于-6dB，实现抗混叠）
   - 使用MicroUSB接口供电，供电电压5V （所有芯片5V供电）
   - 采用麦克风作为前端输入（或3.5mm）
   - 采用3.5mm耳机接口输出，连接音箱或者示波器 
 - 实物测试

根据以上指标，使用简单的立创EDA设计了相应的电路

 PCB设计的戢要点
 1. 元器件布局，尽量理顺走线，信号流更干净，布线也更容易;
 2. PCB的封装设计，小PCB尽量采用的是0805与0603封装，减少面积;
 3. 元器件（放大器与ADC）的电源和地之间需要加滤波电容，通常用10uF、0.1uF两个并联即可;
 4. 电源线要额外加粗，预估电流达到20mA，引起的压降会影响电路的噪声等性能。
 5. 严格意义上说，放大器和ADC分别是模拟电路与数字电路，两者之间最好是加一定的隔离。但ADC本身采样率较低，仅250ksps，时钟频率约3Mhz，电源上的滤波电容就可以补偿噪声干扰。
 输出采用的板边2.54mm插针，没别的，省空间。

 

3.6 电路板

相应电路板送到嘉立创加工，先采用面包板和adalp2K中的有限器件搭建该电路。

临时实现

由于项目的时间不等人，JLC的白漂PCB还没回来， 就先用面包板搭建了一下。

为了滤波器的精度，废了一些功夫找了一堆贴片电阻，0603的贴片电阻。得到了惨不忍睹的电路，测了一下， 连接失败，干脆就扔掉了。

由于滤波器参数选择的问题，电容的值都比较小，在10nf量级，ADALP2k中的电容容值过大，翻箱倒柜找了一些几十年前的库存直插电容，找到了8.4nF，3.2nF几个容值，大概能凑出20nF和6.8nF。

电路原理图参考的是PCB的最终电路图，输入信号采用的是ADALM2K的信号源，在ADC的输出端额外接出了一根线连接到了ADALM2K的示波器端。实现的面包板电路如图所示。

具体的实现效果请参考视频。

4. 结语

模拟集成电路的设计，一个难点是滤波器，一个难点是ADC。前者需要熟练掌握运放的反馈工作模式、增益带宽积、输入输出阻抗等多方面的知识，可以说是模拟电路繁琐计算过程的集中体现。好在器件供应商ADI、TI等都提供了完善的设计工具与详尽的数据手册，能够极大的简化工程师的设计门槛。

ADC的设计，更多的是模拟与数字混合信号的处理问题，在分立器件与PCB级，则主要考虑的是ADC的电源域分割、ADC的输出干扰，PCB高速布线，以上这些都算是模拟电路设计的门槛，过了槛可能面对的就是一片坦途。

入门学习模拟电路，可以好好刷刷《电子学》这本书，深入学习模拟电路，推荐看看ADI出品的模拟电路设计手册，厚厚一本极具启发性。

最后，也要感谢硬禾的各位举办了包括funpack等一系列推动国内电子教育行业发展的活动，在做出成果的同时学到了知识，也拓展了眼界，非常好的活动，希望大家能够踊跃参与。