低功耗同步解调器设计考虑因素

　　简介

　　"同步检波器助力精密低电平测量" 一文刊于2014年11月的《模拟对话》杂志，该文讨论了存在相对较高噪声电平情况下使用同步解调测量低电平信号的优势。本文讨论在严格的功耗和成本限制系统中使用同步解调进行传感器信号调理时的一些设计考虑因素，进一步深入该话题。经仔细设计后，模拟系统在简洁性、低成本和低功耗方面将会是无与伦比的。该架构将在模拟域中执行大部分信号处理。

　　传感器激励

　　传感器随处可见，它们用来测量温度、光照、声音和其他各种环境参数。一些传感器的输出电压或电流取决于某些物理参数。例如，热电偶产生与参考结点和测量点之间温度差成比例的电压。大部分传感器的传递函数相对于物理参数遵循已知的关系。传递函数通常是一个阻抗，电流是传感器输入，而传感器两端的电压表示目标参数。阻性传感器（比如称重传感器、RTD和电位计）分别用来测量应力、温度和角度。就一阶而言，阻性传感器与频率无关，并且没有相位响应。

　　很多传感器因为它们的传递函数随频率和相位改变，所以要求使用交流激励信号。这样的例子有感性近距离传感器和容性湿度传感器。生物阻抗测量可以获取有关呼吸率、脉搏率、水合作用和其他各种生理参数。这些情况下，幅度、相位（或两者）都可用来确定检测参数的数值。

　　在某些应用中，传感器可以把待测样本转换成感应器。例如，色度计使用LED将光线照射穿过待测液体样本。样本的光吸收调制光电二极管检测的光量，以便揭示待测液体的特性。血氧含量可以通过测量血管组织中的红光和红外光吸收之差来确定。超声传感器根据超声在气体中行进的多普勒频移来测量气流速率。所有这些系统都可以使同步解调来实现。

　　图1显示的是测量传感器输出信号的同步解调系统。激励信号fx用作载波，传感器以幅度、相位（或两者同时）作为待测参数的函数进行调制。信号可能经过放大和滤波，然后再由相敏检波器（PSD）向下调制，回到直流状态。输出滤波器（OF）将信号带宽限制在待测参数的频率范围内。

　　图1. 同步解调系统

　　传感器输出端的噪声可能受内部源或外部耦合的影响。低频（1/f）噪声经常会限制传感器或测量电子设备的性能。很多传感器还容易受到低频环境噪声的干扰。光学测量容易受到背景光照的影响；电磁传感器容易受到电源辐射的影响。自由选择激励频率以避开噪声源是同步解调的重要优势。

　　选择一个可以降低这些噪声源影响的激励频率是优化系统性能的重要途径。所选激励频率应当具有较低的噪底，并离开噪声源足够距离，以便适当进行滤波便可将噪声降低至可以接受的水平。传感器激励通常是功耗预算中最大的一块。如果传感器的灵敏度与频率的关系已知，则在灵敏度较高的频率处激励传感器即可降低功耗。

　　相敏检波器

　　若要理解抗混叠滤波器（AAF）和OF的要求，则需理解PSD。考虑通过激励信号将输入信号同步扩大+1和–1倍的 PSD。这等效于输入信号乘以相同频率的方波。图2a显示的是输入信号、基准电压源和PSD输出的时域波形；图中，输入信号为方波，任意相位与基准电压源相关。

　　当输入和基准电压完全无相移时，相对相位为0°，开关输出为直流，且PSD输出电压为+1。随着相对相位增加，开关输出成为基准频率两倍的方波，且占空比和均值线性下降。相对相位为90°时，占空比为50%，平均值为0。在180°相对相位处，PSD输出电压为–1。图2b显示了相对相位在0°至360°范围内扫描时的PSD平均输出值，输入信号为方波和正弦波。

　　图2. （a） PSD时域波形 （b） PSD输出平均值与相对相位成函数关系

　　正弦波情形没有方波情形那么直观，但可以通过逐项相乘并分解为相加项和相减项而计算，如下所示：

　　正如预计的那样，PSD在基频处生成与输入信号相对相位的余弦成比例的响应，但它同时也会生成针对信号所有奇次谐波的响应。若将输出滤波器视为相敏检波器的一部分，则信号传输路径看上去就会像是一系列以基准信号奇次谐波为中心的带通滤波器。带通滤波器的带宽由低通输出滤波器的带宽确定。PSD输出响应是这些带通滤波器之和，如图3所示。出现在直流端的响应部分落在输出滤波器的通带内。出现在基准频率偶次谐波的响应部分将由输出滤波器抑制。

　　图3. 有助于PSD输出的信号输入频谱

乍看之下，谐波的无限求和混叠进入输出滤波器通带，似乎使这种方法失效。然而，由于每一个谐波项都成倍缩小，并且各谐波噪声以平方和的平方根方式相加，噪声混叠的影响得以减轻。假设输入信号的噪声频