带可编程增益跨阻放大器和同步检波器的双通道色度计

4525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。

　　紧随交流耦合滤波器之后的电路为同步整流器电路，采用 AD8271 差动放大器和 ADG733 三路SPDT开关组成。 ADG733 内部开关与 AD8271的内部10 kΩ增益设置电阻串联；因此， ADG733 的4.5 Ω最大导通电阻造成的增益误差仅为0.05%，并且温度漂移低于1 ppm/°C。

　　系统的其余部分使用 ADG633开关，因为它们具有极低的泄漏电流和较低的寄生电容。

　　当驱动LED的时钟处于高电平状态时， ADG733 内的开关将根据如下简单传递函数配置 AD8271

　　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 内的开关将根据如下传递函数配置 AD8271

　　VO = 2VREF − VIN

　　其中：

　　VREF为 ADR4525的2.5 V输出。

　　VIN范围为1.25 V至2.5 V。

　　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（交流耦合级的中间电平），同步整流器的输出为2.5 V。在这种配置下，同步整流器的增益为−1，并且在+2.5 V基准电压附近偏置。

　　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（没有光线到达光电二极管）至3.75 V（满量程光输入）。该输出电压对应1.25 V的满量程输出摆幅。

　　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为16 Hz。必须说明，该滤波器带宽约等于LED时钟。例如，若LED调制为5 kHz，则同步检波器的3 dB通带范围为 4.984 kHz至5.016 kHz。

　　系统最终级为低噪声、16位、Σ-Δ型ADC AD7798 。该ADC 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。

　　为了验证前端电路不会对系统产生过大的噪声，数据在 LED禁用时采集。同步检波器依然工作在LED时钟频率下，但不会检测到任何与该时钟同步的光信号。因此，它可移除除了 AD8271 和ADC产生的误差之外的所有直流和交流信号。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。

　　图5. LED源禁用时的ADC电压

　　常见变化

　　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增益。这是一种自定义电路的简单方法，可用于不同光照水平的特定应用。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。

　　对于极低水平光照测量系统而言，同步检波器的低通滤波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，系统以样本和参考通道的比例进行测量。光电二极管的增益容差最大值为 ±11%；因此，由于LED输出随时间和温度的变化而改变，比例的变动在一定程度上存在漂移。加入光学反馈环路控制幅度后，LED可大幅降低光随温度变化而改变的程度，甚至使单通道精确测量成为可能。图7表示典型200个样本采集期间的参考通道与样本通道读数之比。

　　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）