模拟电路设计课程 实战项目3: 模拟链路和供电系统的实现

1. 项目要求

设计简易仪器

• 基于STM32G4系列MCU（假设存在的主控）

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

实现方式

• 使用ADI的电源器件及模拟调理电路器件，ADI、Maxim、LTC的芯片

• 设计模拟及供电电路并采用LTSpice或PowerCAD进行仿真

• 需要电路原理图、LTspice仿真验证

2. 电源供电的实现

根据项目需求，供电需要采用USB进行供电。

USB供电的主流接口有两种，分别是microUSB接口和typeC接口

typeC接口的通信速率高、连线较多、价格高，设计上较为复杂

因此拟采用microUSB接口进行连接

2.1 microusb接口

目前较为方便的供电方式是采用移动电源，结合USB转microusb线进行连接

低成本的树莓派rp2040，就可以采用该方案供电，而ADI官方的adalm2000也采用的microusb接口

microusb接口定义如下

microusb的5根线分别为vbus、D+、D-、ID、 GND，

vbus是5V的电源，D+、D-是差分的USB2.0的通信信号，GND是电路地

ID管脚比较特殊，一般电路的ID管脚是悬空的。而在支持OTG设备中，主设备的ID管脚接地，当悬空的从设备ID被主设备ID拉低后，主设备会打开VBUS的供电并，表明该设备作为被动设备，不提供电源。

此次设计，仅需要采用电源，因此使用VBUS和GND连接就足够。

2.2 整理电源需求

1. 5V的USB供电

1. ADC 供电需求

2. DAC供电需求

3. DAC输出后的信号调理电路，将信号放大到最大10Vpp，运放供电电压需要大于10V。

4. ADC输入前的增益调节电路（衰减电路50Vpp衰减、放大电路5mVpp放大），采用-5V电源来消除共模基线电平

2.3 使用powerCAD设计10V升压电路

步骤1

powerCAD是ADI提供的用于进行电源设计的工具，该工具可以根据选定的输入输出参数推荐可用的电源器件。

可以通过调整阻容值（包含寄生电感等参数）来获得理想性能。

首先，设定输入电源范围位4.9-5.3V，nomal 为5V，输出为10V，电流为500mA，点击search

步骤2

根据列表中的元件，选择了LTC3121，，该芯片是一款DC-DC转换芯片，输出最大电压为15.5V

参数如下

• VIN 范围：1.8V 至 5.5V，启动之后为 500mV

• 输出电压范围：2.2V 至 15V

• 400mA 连续输出电流 (对于 VIN = 5V 和 VOUT = 12V)

• 当停机时输出与输入断接

• 同步整流：效率高达 95%

• 浪涌电流限制

• 高达 3MHz 的可调开关频率可同步至外部时钟

• 可选的突发模式 (Burst Mode®) 操作：25μA IQ

• 输出过压保护

• 软起动

• 在停机模式中 IQ < 1μA

• 12 引脚、3mm x 4mm 耐热性能增强型 DFN 封装

优先选择自动计算参数，可以得到较好的电源指标，获得的电路参数如图所示

导出到LTSPICE，进行仿真，如下图所示，电路，仿真结果表明，电路的输出约达到10V以上。

2.4 -5V供电的设计

ADC采集电路部分，设计共模电平为0V，之后通过交流耦合进入ADC以便消除电路基线

设计采用的是ADP5074电源芯片，可以将5V供电转换为-5V供电

ADP5074性能指标

• 宽输入电压范围： 2.85 V至15 V

• 可调负输出至VIN − 39 V

• 集成2.4 A主开关

• 1.2 MHz/2.4 MHz开关频率，可选外部频率同步范围为1.0 MHz至2.6 MHz

• 电阻可编程软启动定时器

  该供电电路的结构如下图所示

3. ADC芯片的选择

项目需求的ADC芯片，最佳选择是能够在LTSPICE中直接进行仿真的芯片，并且需要可以处理1M的正弦信号。套件中的AD7091的采样率只有1Msps，无法用于1Mhz带宽采样。据此，选择可以方仿真的两款芯片，ADP2311和LTC2386-16.

ADP2311

• 输入电压：4.5 V 至 18 V

• 输出精度：±1.0%

• 集成 MOSFET：110 mΩ/60 mΩ（典型值）

• 连续输出电流：1 A/1 A

• 电源故障比较器产生报警信号

• 带可编程延迟定时器的上电复位

• 用于关断的可调电压监控器（通道 2）

• 看门狗刷新输入

• 可 180° 反相工作的双相

• 固定开关频率：300 kHz

• 内部补偿和软启动

• 采用低 ESR 陶瓷输出电容便可稳定工作

• 精密使能输入

• 断电期间的功率反馈

• UVLO、OCP、OVP 和热关断保护

LTC2386-18（16）

• 10Msps 吞吐速率

• 无流水线延迟，无周期延迟

• 在 fIN = 1MHz 时的 SNR 典型值为 95.7dB

• 在 fIN = 1MHz 时的 SFDR 典型值为 102dB

• 输入频率高达 5MHz 的奈奎斯特采样

• 保证 18 位，无漏失码

• ±1.75LSB INL (最大值)

• 8.192VP-P 差分输入

• 5V 和 2.5V 电源

• 内部 20ppm/°C (最大值) 基准

• 串行 LVDS 接口

• 97mW 功率耗散

• 32 引脚 (5mm x 5mm) QFN 封装

 

根据奈奎斯特采样定律，1Mhz的信号带宽，需要3Mhz以上的采样率，相比较起来，LTC2386的性能更优。采用10Msps采样率进行设计。

Ltspice仿真原理图及电路仿真结果如图所示

4. DAC芯片的选择

DAC采用AD5626,该器件是ADALP套件中的一款DAC

4.1 AD5626

• 8引脚MSOP和8引脚LFCSP封装

• 集成内部基准电压源、完整的电压输出

• 每位1 mV，满量程：4.095 V

• 5 V单电源供电

• 无需外部元件

• 三线式串行接口，20 MHz数据加载速率

• 低功耗：2.5 mW

该器件采用5V供电，转换速率达到20Mhz，通过修改工作频率，设定该器件工作在10Mhz，与ADC采样率相同。

5. 前后端设计

5. 1 ADC前端设计

ADALP中的AD8542是一款GBW为1Mhz的轨到轨运放，但是当存在增益时，带宽不足1Mhz，这导致无法用于1Mhz的信号采集系统中。

据此，采用ADALM2k中的信号调理放大器ADA940，以及信号切换开关

该电路结构如图所示

5.2 DAC后端设计

DAC输出信号为4.095V，需要放大2.5倍以获得需要的10Vpp信号

该部分调理电路采用10V单电源供电的运放，选择ADALP套件中的OP484轨到轨运放

OP484指标

• 单电源供电

• 宽带宽：4 MHz

• 低失调电压：65 µV

• 单位增益稳定

• 高压摆率：4.0 V/μs

• 低噪声：3.9 nV/√Hz

6. 电路设计

各模块独立仿真完成后，采用EDA工具设计了除单片机外的其他电路架构原理图。

7. 结语

历时进1年，硬禾学堂的模拟电路课程的学习告一段落，项目的完成有些仓促，不过真的是学习到了很多知识。

感谢硬禾学堂的各位老师组织的学习，希望这样的活动能多多进行，帮助广大工程师通过硬禾的课程获得成长。