增加模拟前端的动态范围

news2024/12/24 3:51:51

1、光电接收电路

下面两张图分别在sensor正偏置和负偏置时的接收电路,这里我们关注一下输出的波形特征为一个脉冲信号,脉冲信号的共模电压为5V分压得到,信号的摆幅为Iout*RT,Iout为光电流,在应用在雷达接收的中时,发射信号的脉宽很小,ns级别,占空比也很小,比如重频100k,周期有10us。

                                                     图:正偏置的光电接收电路

                                                          图:负偏置光电接收电路

2、单端信号转差分

Sensor以正偏置为例,OPA855输出的脉冲信号经过全差分放大器THS4541后,差分的信号如下图所示,0.95v是ADC的共模电压要求,图中红色波形永远比绿色波形的幅度高,也就是差分后的电压都在0.95v上面,这样的话就是只用了ADC的正量程,负量程都没有用到,相当于ADC少了1位分辨率。

3、优化差分放大电路提高ADC的分辨率

  为了解决全差分放大器输出没有交叉的问题,可以使差分放大器输入不同的共模电压,比如下图中差分放大器正端的偏置为3v,负端的偏置为2.5v,差分的电压就是0.5v,放大两倍后就是1v,图中输出的电压就是1Vpp,输出的共模电压为0.95v,正向的偏置为1.45v,负向的偏置为0.45v,

4、仿真举例

ADC的输入规格如下:

 接收前端的电路如下,这里全差分放大器正端的偏置电压为Vbias1=2.7v,Vbias3=1.62v。

 

参数计算如下:

Full Scale = 2.16v

Full Scale / 2= 1.08v

由于Vcm=1.43v

可以设置VCC=1.43v+2.5v = 3.93v,这里我们设置为4v

              VEE=1.43v-2.5v = -1.07v,这里我们设置为-1.1v

放大器的VCC为4v,偏置设置为2.7v(根据所选放大器的输出摆幅决定)

那么THS4541的偏置需要设置为:2.7v - 1.08v = 1.62v

SiPM最大偏压-27.5v,输出最大信号0.6v

放大器的增益G=2.16 / 0.6 = 3.6倍,Rin=200,Rf=200*(3.6-1) = 520

输出波形:

红色为VF6的波形,蓝色为VF5的波形,可以看出两个波形是有交叉的。

 把两个波形做差得到ADC输入的波形如下,可以看到正负量程的信号都是有的。

 

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