可编程增益跨阻放大器的双通道色度计

　　电路功能与优势

　　图1所示电路是一款双通道色度计，其具有一个调制光源发射器，各通道上有可编程增益跨阻放大器，后接一个噪声非常低的24位Σ-Δ型模数转换器（ADC）。 ADC的输出连接到一个标准FPGA夹层卡。 FPGA从ADC获得采样数据，实现一个同步检波算法。

　　通过使用调制光和数字同步检波而非恒流（直流）源，系统可有力地抑制非调制频率的噪声源，提供出色的精度。

　　该双通道电路以三种不同的波长测量样本与参考容器中的液体的吸收光线之比。 这种测量方法构成许多通过吸收光谱测量浓度和表征材料的化学分析和环境监控仪器仪表的基础。

　　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

　　一个设置为用户可编程频率的时钟利用一个恒流驱动器调制三种LED颜色中的一种，该恒流驱动器由运算放大器AD8615、开关ADG819和数字电位计 AD5201构成。分光镜将一半光线通过样本容器发送，另一半通过参考容器发送。 配置为跨阻放大器的ADA4528-1随后将光电二极管电流转换为输出电压方波，其幅度与从样本或参考容器透射出来的光线成正比。 跨阻放大器利用单刀双掷（SPDT）开关ADG633选择两个跨阻增益中的一个。AD7175-2 Σ-Δ ADC对电压进行采样，并将数字数据发送到FPGA进行数字解调。

　　FPGA首先将一个以数字方式生成的正弦波与LED时钟同步，然后将此正弦波与ADC采样数据相乘，从而实现同步解调。 此外，该正弦波的90°相移版本也与ADC数据相乘以获得调制信号的正交分量。 这些操作的结果是产生两个低频解调信号，分别代表各通道接收光线的同相和正交分量。 一个窄带FIR低通滤波器滤除所有其他频率成分，这样便很容易计算光电二极管测得的信号的幅度和相移，而与LED时钟不同的频率的光线或电气噪声则被抑制。 多路复用器ADG704将供电轨连接至三种颜色LED中的一个，用户可以通过2位地址选择测试波长。AD8615和NPN晶体管构成一个简单的电流源，LED电流由下式给出：

　　其中：

　　VNON-INVERTING为AD8615同相输入端电压。

　　REMITTER为连接到晶体管Q3发射极的电阻值。

　　ADG819 SPDT开关连接到设定点电压和地，其控制引脚连接到参考时钟。 当时钟在高低之间振荡时，电流源的设定点从0 mA变为所需的输出电流，从而产生一个方波信号。

　　数字电位计AD5201充当2.5 V基准电压源的可编程电阻分压器，使得LED电流共有33种不同的电流输出设置。

　　样本和参考容器各接收LED光能的一半，吸收的光量取决于每个容器中介质的类型和浓度。 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。

　　每个接收器通道的第一级包含ADA4528-1运算放大器，该运算放大器配置为跨阻放大器，可将光电二极管输出电流转换为电压。 ADA4528-1是一款自稳零放大器，其所导致的失调可忽略不计，无1/f噪声，宽带噪声则非常低（5.9 nV/√Hz）。 像所有自稳零放大器一样，在自稳零频率处会出现一个噪声尖峰。 对于ADA4528-1，该频率约为200 kHz，但电路信号带宽早在此之前即发生滚降。

　　运算放大器输入偏置电流乘以输出端的反馈电阻值，作为失调电压。 运算放大器的输入失调电压出现在输出端会被放大，其增益取决于反馈电阻和光电二极管分流电阻。 此外，运算放大器的任何输入电压失调都会出现在光电二极管上，导致光电二极管暗电流增加。ADA4528-1的失调电压很低（2.5 μV），非常适合这种应用。

　　图2显示了一个带单反馈电阻的典型跨阻放大器及其理想传递函数。

　　图2. 跨阻放大器传递函数

　　由于某些受测溶液可能具有非常强的吸收特性，因此有时需要使用大反馈电阻来测量光电二极管产生的极小电流，同时要能够测量与高度稀释溶液相对应的大电流。 为了解决这一难题，图1中的光电二极管放大器含有两个不同的可选增益。 其中一个增益设为33 kΩ，另一个设为1 MΩ。 当单SPDT开关连接运算放大器的输出端以便开关反馈电阻时，ADG633的导通电阻会导致跨阻增益误差。 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：

　　而不是

它表示增益误差。 但是，由于其中一个ADG633位于反馈环路之外，该级的输出阻抗即为ADG633的导通电阻（通常52 Ω），而非闭环工作时与运算放大器输出有关的极低输出阻抗。ADG633漏电流（典型值5 pA）引起的误差可忽略