高精度低頻模擬前端設計方案

從傳感器到 24 位 ADC 的完整鏈路優化

一、引言

在醫療成像設備中，系統常需要對温度、壓力等低頻緩變傳感信號進行高精度採集，例如：

• 探頭温度監控
• 冷卻系統壓力監測
• 環境狀態監控

這類信號通常具有如下特點：

• 幅度微弱：微伏～毫伏級
• 頻帶極窄：DC～幾十 Hz
• 極易受干擾：工頻、電源紋波、數字噪聲、地迴流等

要在這些場景下真正發揮 24 位 Δ-Σ ADC 的有效分辨率（ENOB）與動態範圍，模擬前端（AFE）必須在傳感器接口、前置放大、濾波/抗混疊、採樣保持、ADC 架構選擇等環節系統性優化，並同步抑制：

• 器件失配
• 熱噪聲
• 1/f 噪聲
• 失調及漂移
• 電源紋波耦合
• 諧波失真與非線性

本文基於標準 CMOS 工藝可實現的關鍵模塊（零漂/斬波 INA、Σ-Δ ADC 等），從完整信號鏈構建一套可工程化落地的高精度低頻 AFE 方案。重點面向醫療成像中的温度/壓力測量，也對 ECG/EEG 等生物電前端具有高度參考價值。

二、系統架構與設計目標

典型高精度低頻信號鏈如下：

傳感器 → 儀表放大器（INA） → 低通/抗混疊濾波 → ADC（Σ-Δ 或 SAR） → 數字處理

2.1 設計目標

1. 高精度與低噪聲

• 目標：在 24 位 ADC 下獲得儘可能高的 ENOB

  • 例如 ≥ 19～20 位噪聲自由分辨率
• 輸入換算噪聲逼近 nV 級
• 重點抑制低頻 1/f 噪聲與諧波失真

2. CMOS 工藝適配

• 所有模塊可用標準 CMOS 工藝集成

  • 斬波/自穩零放大器、Σ-Δ ADC、片上電阻網絡等
• 充分考慮器件匹配、温漂與可集成的自校準機制

3. 低頻性能與工頻抑制

• 關注 DC～幾百 Hz 的低頻信號

• 在極低輸出速率（如 20 SPS）下仍實現：

  • 50/60 Hz 干擾抑制 > 100 dB

4. 完整傳感器接口能力

• 支持電橋式壓力、熱電偶、RTD（Pt100）等
• 提供激勵、恆流源、比率測量、冷端補償等能力

5. 誤差源抑制與長期穩定性

• 控制：電阻失配、熱噪聲、漂移、電源耦合
• 提升：CMRR、PSRR、温漂性能
• 滿足醫療設備長期運行與定標要求

下文沿信號鏈從前端到 ADC 逐級展開。

三、傳感器接口與前置放大設計

3.1 多類傳感器應用場景

1）電橋式壓力傳感器（應變計橋）

• 滿量程輸出僅數十 mV
• 需要精密恆壓/恆流激勵 + 差分測量

• 推薦比率測量（ratiometric）架構：

  • 將橋路激勵電壓同時作為 ADC 參考
  • 消除激勵源波動影響

2）熱電偶

• 温度範圍寬（-200～1300 ℃）
• 靈敏度低（K 型約 41 µV/℃）
• 輸出為 µV 級雙極差分信號
• 必須使用高增益 + 極低失調前置放大

• 冷端補償必需：

  • 接線端佈置 RTD/集成温度傳感器
  • 數字域補償熱電偶輸出

3）RTD 鉑電阻温度計（Pt100 等）

• 0 ℃ = 100 Ω，温度係數 ~0.385 Ω/℃
• 常用恆流源激勵測壓降，或組成橋路提高靈敏度
• 為消除恆流源誤差，可同步測 RTD 與參考電阻壓降
• 採用比率測量提升精度

4）生物電信號（ECG/EEG）

• µV 級差分、頻帶極窄
• 對噪聲和 CMRR 更苛刻
• 放大與抑制共模干擾的鏈路與温度/壓力前端高度相似

3.2 儀表放大器（INA）關鍵指標

前置放大推薦使用儀表放大器（INA），優勢在於：

• 高輸入阻抗
• 高差分增益
• 極高 CMRR
• 適合遠距/長線纜微弱信號採集並抑制共模干擾

（1）失調與漂移

• 微伏～毫伏級測量中，INA 輸入失調必須遠小於目標分辨率

• 首選零漂 INA（斬波/自穩零）：

  • 輸入失調 µV 級
  • 温漂可低至幾十 nV/℃
  • 將 1/f 噪聲與失調搬移至高頻再濾除
  • 基帶噪聲近似白噪聲

（2）增益與帶寬

• 總增益常為 100～1000×
• 單級增益過高受限於 GBW 與相位裕度

• 工程中多采用內部多級結構 + 外圍小級微調

  • 便於標定、偏置調整與濾波

（3）共模抑制比（CMRR）

• 醫療環境工頻/共模噪聲重
• 增益 ≥100 時，CMRR 目標 ≥100 dB

• 需要：

  • 輸入網絡嚴格對稱
  • PCB 差分走線完全對稱
  • 減小寄生差異

（4）輸入保護與安全

• 需兼顧患者安全與器件保護
• 輸入端可加：限流電阻、ESD 二極管、TVS
• 高端方案可疊加隔離放大器/隔離 ADC

3.3 多級放大 vs. 單級高增益

表 1：前置放大架構對比

工程結論：多數高精度 AFE 採用
“零漂 INA + 次級微調/濾波級” 的多級結構，兼顧噪聲、CMRR 與標定餘量。

四、濾波器設計與採樣保持

4.1 抗混疊與帶寬控制

放大後的信號進 ADC 前必須低通限帶：

• 低頻有效帶寬通常 <100 Hz

• 模擬低通截止可設在 200～500 Hz

  • 覆蓋有效變化
  • 削弱 kHz 以上噪聲避免混疊

常用方案：

• 有源 Sallen-Key 二階低通

  • 易調截止頻率與 Q

• 無源 RC 低通

  • 簡單可靠
  • 若 ADC 輸入高阻/帶緩衝即可滿足

工頻抑制：

• 優先利用 Σ-Δ ADC 內部數字濾波/陷波
• 模擬雙 T 陷波可作為補充但一般非首選

4.2 SAR ADC 的採樣保持與驅動

SAR ADC 採用開關電容採樣，採樣瞬間會拉取電荷導致：

• 前級輸出瞬態跌落
• 若驅動帶寬不足，採樣期間電壓未穩定 → 轉換誤差

典型處理：

1. SAR 前加高速低失調緩衝運放（ADC Driver）

2. 運放與 ADC 間串 數百 Ω + 數 nF：

   • 一階抗混疊
   • 限制充電電流
   • 讓運放在採樣間隙恢復

RC 需滿足：

• RC 常數 ≫ 採樣尖峯寬度（濾尖峯）
• 但在採樣週期內完成 >99% 收斂

4.3 Σ-Δ ADC 的輸入特性

Σ-Δ ADC 前端更像連續時間積分器，對源阻抗不敏感，但需注意：

• PGA 高增益時等效輸入阻抗下降
• 源阻抗過大 → 增益誤差/失真

對策：

• 使能 ADC 內部緩衝（若有）
• 外加單位增益緩衝隔離 INA 與 ADC

4.4 濾波與動態響應權衡

• 若只關心緩慢均值：

  • 多極低通 + 極低 SPS → 換取極低噪聲

• 若需更快穩定/複用採樣：

  • 選巴特沃斯等平滑響應，避免振鈴

• Σ-Δ ADC 有固有羣延遲：

  • 可選高輸出速率/低延遲模式
  • 或改用 SAR + 模擬濾波

五、ADC 架構選擇：Σ-Δ vs SAR

對低頻高精度採集，兩類架構最常見。

表 2：Σ-Δ ADC 與 SAR ADC 架構比較

結論：

• 温度/壓力等緩變量：

  • 更新速率不高 → 優先 Σ-Δ ADC

• 需兼顧中高速控制/響應：

  • 高分辨 SAR + 平均
  • 或 Σ-Δ + SAR 混合架構

六、精度影響因素與系統級對策

高精度不能只看單器件，需要鏈路級控制誤差源。

6.1 電阻匹配與增益誤差

INA 增益強依賴電阻比值，不匹配會導致：

• 增益誤差
• CMRR 下降 → 共模泄漏

對策：

• 關鍵電阻做比值設計並芯片級修調

• 外部關鍵增益電阻用薄膜/箔電阻

  • 0.01% 精度、±5 ppm/℃
• PCB 緊湊對稱擺放避免熱梯度漂移

6.2 熱噪聲與 1/f 噪聲

系統噪聲 = 白噪聲（熱噪聲）+ 閃爍噪聲（1/f）

降噪策略：

• 縮窄帶寬 B（熱噪聲 ~ √B）
• 選低噪聲運放（<10 nV/√Hz）
• 避免超大阻值電阻

• 對 1/f 主導低頻：

  • 斬波/零漂技術最有效
  • 0.1–10 Hz 噪聲可壓到幾十 nV

6.3 偏置誤差與温漂

• 輸入失調與偏置電流會引入 DC 誤差
• 零漂放大器消除大部分電壓漂移

• 偏置電流抑制：

  • CMOS 輸入級（pA 級）
  • 合理輸入阻抗

校準策略：

• 上電自校：短輸入/切內部參考測零點並扣除
• 温度自校：温度掃描做補償
• 高端 Σ-Δ ADC 可做背景校準

6.4 電源噪聲與隔離

電源紋波通過有限 PSRR 進入鏈路，低頻下更致命。

對策：

• 模擬/ADC 使用獨立低噪 LDO + RC/π 濾波
• 模擬/數字分區供電與佈線
• 星形接地 + 磁珠隔離
• 患者側/系統側必要時做電氣隔離

6.5 線性失真與工作範圍

• 放大器輸出避免逼近軌電壓
• ADC 工作在指定線性區
• 出廠多點標定可進一步消除殘餘 INL

6.6 温漂與長期穩定性

醫療設備需長期一致性：

• 低漂基準（≤5 ppm/℃）
• 年漂移小的 INA
• 長壽命薄膜/箔電阻
• PCB 避免應力集中與熱不對稱
• 軟件預留零點/增益再標定接口

目標：鏈路誤差降到與 ADC 分辨率同量級，使滿量程誤差可控到 0.1% 甚至 0.01%（視校準策略）。

七、推薦架構與應用小結

面向醫療成像中的温度/壓力等低頻高精度測量，推薦如下鏈路：

傳感器 → 零漂 INA（多級前端） → 模擬低通/抗混疊 → 24 位 Σ-Δ ADC（帶 PGA/數字濾波） → 數字補償

典型配置：

1. 前端 INA

   • 選零漂 INA
   • 增益 100～500×
   • 高 CMRR、低噪聲、低失調

2. 濾波與工頻抑制

   • INA 後一階/二階低通
   • 截止設在數百 Hz
   • 依賴 Σ-Δ 數字濾波實現 50/60 Hz 陷波與過採樣

3. 24 位 Σ-Δ ADC

   • 帶 PGA、MUX、基準、温度傳感
   • SPS 設 10～50，優先噪聲性能

   • 多通道實現：

     • 橋輸出 + 激勵同步比率
     • 熱電偶 + 冷端温度同步採集

在良好 PCB、電源與校準下，該方案可實現：

• 噪聲自由分辨率 19～20 位
• 温度分辨率 0.02 ℃ 甚至更優（取決於傳感器）
• 壓力/温度綜合誤差 ~0.1% 級

八、工程落地與擴展

8.1 傳感器專用微調

• 熱電偶：選帶冷端補償支持 ADC，簡化設計
• 電橋壓力：多通道同步採橋輸出與激勵做比率測量
• RTD：恆流源 + 比率測量 + 數字線性化 + 多點標定

8.2 PCB 與 EMC

• 模擬前端獨立地參考與屏蔽
• 傳感器差分輸入走線長度/路徑/環境完全對稱
• 高速數字線遠離模擬區，必要時用地帶隔離

8.3 軟件與系統校準

• 上電自動零點校準
• 標準源週期性重標定增益與非線性
• 温度/老化補償提高多年一致性

九、結語

通過對完整信號鏈進行系統級優化——從傳感器接口、電橋/恆流激勵、零漂 INA、多級濾波、採樣保持到 24 位 Σ-Δ ADC 的選擇與應用——可以在標準 CMOS 工藝平台上實現真正高精度的低頻模擬前端方案。

該方案不僅能為醫療成像設備提供精準穩定的温度與壓力信息，提升圖像質量與診斷可靠性，也對其他高精度低頻測量（精密儀器、工業變送器、重量/位移傳感等）具有良好參考價值。