低功耗高頻小信號穩定的電路設計研究與仿真研究

摘要：自上而下以模塊化、單元化、定制化等方式設計低功耗高頻小信號采集方法。低功耗高頻小信號在不同工況下的顯性特征，通過已有的計算公式來制定適用于信號接收后進行放大，隨后設計濾波器中濾波的電路參數，綜合考慮性能與價格等因素，選用合理的放大濾波、模數轉換等各項硬件，將電路繪制成PCB圖像來提取其中的關鍵參數。通過電路CAE軟件在CPU上模擬低功耗高頻小信號檢測電路的性能，通過此電路設計研究在設計和優化過程中進一步提速，為低功耗高頻小信號檢測技術發展提供一種適用于工業工程的解決方案。

關鍵詞：小信號；電路設計；仿真；PCB

一、前言

低功耗高頻小信號檢測技術從概念上講是將機械振動、光、電等各種特征上帶有低功耗高頻等特點的小信號進行采集，并加以分析和處理的技術，在各種不同領域均涉及與應用。例如，航天科技、醫療科技等[1]。低功耗高頻小信號具有頻率及幅值較低、較弱，但噪聲分貝偏大等特點[2]，低功耗高頻小信號的采集難點綜合而言分為以下幾點：工作阻抗大、數據傳輸速度較快、頻率周期長、共模抑制比高等[3]。隨著產業的升級與進步，在現代電子科技工程領域中，小型信號檢測技術的升級與進步已經變得越發重要[4]，在各類產品的研發和使用中占據重要位置，而低功耗高頻小信號檢測技術的進步則為相關行業的電子設備及其衍生的產品性能的設計升級，以及后期優化提供了強有力的保障。

低功耗高頻小信號檢測技術電路信號的發射源可能來自射電信號、微波發射器、信息收發器等各種信號發射或者接收源頭[5]。低功耗高頻小信號在不同工況下的顯性特征，通過已有的計算公式來制定適用于信號接收后進行放大，隨后設計濾波器中濾波的電路參數，進而進行有效的分析處理及后續的使用[6]。信號放大器、濾波器和檢波器等組合件即是道具或工具，除此之外也可以利用該設備對噪聲和干擾進行相關的抑制技術，如信號干擾器、信號屏蔽儀等[7]。但是在各科技領域發展的今天，通信、雷達甚至生物醫學等領域對于低功耗高頻小信號的需求呈現增長趨勢，小型信號檢測技術的升級與進步已經變得越發重要。在此背景下，低功耗高頻小信號檢測技術電路的進步已經不單單體現在對于電路性能要求上的提高，更進一步地轉變為能耗降低、尺寸縮小和成本預算減少。由此可見，隨著基于集成電路方面突破和微納米技術的不斷革新，在低功耗高頻小信號檢測技術電路中也享受到了技術發展帶來的便利性和迅捷性[8]。另外，CAE軟件在低功耗高頻小信號檢測技術的發展，為低功耗高頻小信號檢測技術電路的研究和設計提供了參考數據，并以模擬實驗來驗證、實踐，為更高的準確度提供了可靠的保證。在通過電路仿真CAE軟件上，模擬低功耗高頻小信號檢測電路的性能，對設計的效率和成效可以提供更準確的量化效果，可靠度不斷提高。CAE技術還可以在分析和優化電路的過程中對于各種參數（電壓增益、帶寬、噪聲系數）等進行更加直觀的設定和處理，從而更好地貼近實際工程應用中的方案[9]。在我國，低功耗高頻小信號檢測技術是正在攻克項目中的一項重要技術[10]，促使我國科技不斷革新和產業不斷升級、進步。低功耗高頻小信號檢測技術在未來發展中可以設計出更多的創新應用工程，以此為各行業、各領域的進步帶來更多的科技感與便利性[11]。

二、低功耗高頻小信號檢測電路系統設計

（一）電路設計的系統原理圖

本文中所描述的低功耗高頻小信號放大與檢測系統原理如圖1所示，具體工作原理為機械振動、光、電等各種特征上帶有低功耗高頻等特點的小信號由相關的傳感器進行采集，并將物理信號轉換成為需要的電子信號，接口電路中電子信號通過電流I的形式流入設定好的電路檢測系統中，在靜電防護電路系統處理后，將原本的低壓信號增強為高頻高壓信號后進行下一步流出，之后的電流信號流入系統儀表放大器，通過放大器進行信號的加強與放大，此時的信號源沒有經過任何量化梳理，需要經過濾波電路進行濾波處理，此時的信號源被儀器傳輸差分模數轉換電路采樣，同時進行量化處理及編碼運算，最終傳輸到相關的主控電路，對信號進行處理后開始數據傳輸，通過接收設備得到最終需要的數據信號，即完成整個數據的處理過程。

（二） 系統中的靜電防護電路設計

電荷發生移動時產生靜電放電現象（ESD）是自身攜帶不同靜電電位的物體相互摩擦與接觸，而靜電電壓的數值通常是在零至幾千伏不等。電子產品在電量足夠實際使用的狀態下，電路不做ESD防護處理，其產生的靜電如果進入電路內部的電路板間，設備會因此而癱瘓失去效用。

本文介紹的通用靜電防護電路設計為USB Type-C接口設計。現在的USB Type-C接口主要用更加高端的USB3.0接口來替代傳統的2.0版本，加上LVDS、SATA等硬件總成在接口處的連接。在傳出信號的過程中，力求信號的損失率降到最低，保證信號的實時性，同時為了在傳輸過程中保證不出現失真現象，ESD防護處理的保護作用在此時就可以完好地保護元器件，該元器件的接口處電容值大約0.8pF，在低速或者高速小信號傳輸的過程中能做到靜電的防護處理。本文中的ESD防護電路設計選擇最新款的TVS二極管TI芯片，該芯片的最大特點為等效電容小、漏電流最大值為10NA（其值極低），接觸放電和氣隙放電電壓為±15kV 的單路瞬態電壓抑制靜電放電保護二極管。與此同時，直流擊穿閾值電壓最低為6.5V，可以更好地做好靜電防護，經測試，滿足設計需求。

（三）系統中的儀表放大器設計

本文設計中的儀表放大器選用三運放型儀表放大器的電路結構，如圖 2 所示。該三運放型儀表放大器電路結構有重要的特點，屬于兩級設計，第一級由A2的同向端和A1的反向端通過電阻RG連接組成，同時能夠實現1+1大于2的效果，其優勢在于可很大程度提高輸入阻抗值，實現新一級的效果增益，并且共模抑制比方面可以更大程度實現效果。第二級為運放的A3，具有差分轉單端，額外增益的效果十分明顯，在后級的增益中實現進一步的優化、強化，經測試，滿足設計需求。

（四）系統中的濾波電路設計

本文介紹的濾波電路設計是一臺四個電阻加兩個電容為電路核心器件的壓控電壓源二階低通濾波器電路設計，其電路的拓撲結構示意圖如圖3所示，其中最為特殊的是反饋電阻器，其特性是通過調節阻值的變化來達到增加電路傳輸速度和效率均能實現增益的效果，另外同相端的電阻器組成濾波網絡，經測試，滿足設計需求。

（五）系統模數轉換電路設計

針對模數轉換的特點，本文設計選用的是一款16位數差分模數轉換芯片，其型號代碼為AD4001。該芯片的數據轉換速率達到2msps（1s內完成2萬份數據的轉換），單從數據可以顯示出其具有超高速度、超高精度等特性，同時在其本身特性中還包含單電源供電、低能耗等關鍵點。在此著重強調的是對于芯片AD4001而言，影響能量的功耗因素與其在工作狀態下的吞吐量數值息息相關。舉例設定芯片采樣頻率為10ksps的條件下，其工作消耗僅僅為80μW。當芯片處于斷電狀態較長時，可以通過外在可拆卸電池補充，第一次的系統模數轉換依然可以正常完成。該工作狀態下，最大的特點是差分模數轉換芯片在輸入頻率范圍達到100kHz時，系統同樣支持在10kHz以下（即超低速率）狀態下能夠持續不間斷輸入低電流，系統中的總諧波失真（THD）性能更加突出。因此在系統模數轉換電路設計中，微弱信號檢測系統中使用AD4001差分模數轉換芯片是最為合適的設計，該特性的使用可以進一步降低差分模數轉換芯片在其轉換速度較低狀態時的功耗。同時，為了進一步優化差分模數轉換芯片功耗，在電路原始程序設計時候，模數轉換的阻抗模式被運用起來，經測試，滿足設計需求。

（六）主控電路設計

低功耗高頻小信號的數字化處理過程是在微型CPU中進行的，本文涉及的低功耗高頻小信號檢測系統微型CPU在運行過程中需要滿足多項要求才可催動系統運作，主要的指標要求為數據處理具有及時性，數據傳輸效率高，主板電路設計遵循簡潔原則，電力供應方面僅僅需要提供低功耗、小電壓、弱電流，具有極致的性價比。綜合上述要求并考慮市場價格，選定STM32F4 系列的單片機。在性能和動能方面具有一定的優勢，是一款中高端的處理器終端設備。對比傳統的邏輯處理單元單片機設備FPGA和CPLD等，STM32F4系列單片機具有無可比擬的優點，其集成性強、性價比高、能量消耗低、及時性能好、界面動態豐富等各方面的優點對控制類應用方面具有顯著優勢，如本文所涉及和使用的的低功耗高頻小信號檢測嵌入式系統。

三、低功耗高頻小信號檢測電路仿真

電源電能和信號傳輸兩部分是影響檢測電路設計的核心因素，運用CAE仿真對PCB電路板設計中的電源通流情況進行計算和模擬測試。電源分配系統中存在干擾參數（干擾電阻、干擾電感、干擾電容等），導致電路中的阻抗不為0。在系統芯片正常運行時，工作I從電源輸出，會在芯片端形成一定數值的直流壓力差。本文設計的電路結構以簡單為主，直流壓力差在過高的條件下，功能受損，芯片功能失效導致電路失效。與此同時，電流過載、溫度持續不斷升高也會影響芯片功能，嚴重時會發生電路熔斷PCB 布線，造成一定的風險。

本文在設計PCB 電路板的過程中，按照電源布線規則要求進行布置，在電路中電源數量較多，所以對低功耗高頻小信號電路設計進行了仿真驗證，以此來測試是否滿足通流及壓降要求。通過對低功耗高頻小信號電路的分析，設計出制作接收小信號處理的有效方法，解決了制作高頻低功耗小信號放大器過程中經常出現的無規律震蕩問題，同時解決頻率無序化狀態，以及電路中各個阻抗之間存在的不兼容問題，圖4試驗仿真結果及圖5交流低功耗高頻小信號分析仿真結果顯示滿足設計需求。

四、結語

今后，低功耗高頻小信號探測技術將隨著技術的革新而不斷進步和完善，以人工智能AI為基礎推出的智能算法新型傳感器技術不斷更新迭代，低功耗高頻小信號檢測技術在此基礎上對微弱信號的捕捉會更精確、解析更準確，給通信、雷達甚至生物醫學等各個領域的應用帶來更多的創造性。與此同時，警惕低功耗高頻小信號檢測技術在某些技術層面的挑戰，在各種數據的保密性和信息傳播的安全性等方面不斷在創新中尋求突破并解決相關問題。本文描述的低功耗高頻小信號檢測電路設計和實施的CAE計算方案，經過實踐可以廣泛應用于通信、雷達甚至生物醫學等領域微弱信號檢測，經測試，滿足設計需求。

參考文獻

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作者單位：南京郵電大學波特蘭學院

■ 責任編輯：王穎振、楊惠娟