模拟信号链路的设计

让我们开始第二个部分的介绍

第二个部分主要是介绍一下 模拟信号链路的设计

那主要包括以下几个部分

第一部分是低功耗高灵敏度 传感器偏置电路的设计

第二个部分是比较关键的 高增益低噪声的带通滤波器设计

第三个部分是低功耗低失调 窗口比较器电路设计

首先我们可以快速地看一下 整个信号链路的构成

第一级传感器偏置电路 第二级放大和带通滤波器电路

第三级窗口比较器电路

针对PIR偏置电路来说

系统需要提供一个 偏置电压给到PIR sensor

同时 PIR sensor的偏置电流也极大的 影响到整个PIR sensor的灵敏度

因此在进行 PIR sensor电路设计的时候

需要对偏置电压 以及偏置电流的设计

进行一个很好的考虑

第二个部分 放大和带通滤波器电流

主要是对前端微小的PIR信号 进行一个放大和滤波的作用

这里面需要考虑的是 放大电路的放大倍数

以及带通滤波器的带宽 以及它的品质因素Q值

同时还需要考虑到元件的静态电流

第三个部分是窗口比较器电路

那窗口比较器电路主要的作用是

对前端放大带通滤波器输出的信号 进行一个[听不清]比较

当超出预先设计的阈值的时候


需要提供一个高低电频去触发

进行slip模式的MCU 进行软件处理

下面会对每一部分 进行一个详细的介绍

首先我们可以来看一下 PIR sensor的信号特点

以及它的一个偏置电路的考虑

那我们可以看一下 首先我们对称结构的红外检测管

它能够很好的去滤除 由于环境等共模干扰的影响

第二个是说我们PIR sensor的 检测距离以及检测角度

很大程度上依赖于光学设计 也就是说我们菲涅尔透镜的作用

它能够去聚焦很远范围内 或是说角度很大的范围内的红外能量

能够来拓展它的检测距离和检测角度

那第三个需要去重点提出的是说

大部分PIR传感器 它都有一个预启动时间

而且这个预启动时间都比较长 不能够也不推荐进行节能供电

虽然这种方式 能够极大减少系统功耗

但是不能够保证 传感器一个正常的工作状态

最后也就是最关键的部分 我们偏置电路设计的时候

也就是偏置电阻如何选择 当我们偏置电阻选择比较大的时候

其实我们的偏置电流比较小 我们的系统功耗也会比较小

但是我们偏置电流减小的时候

其实我们PIR的 整体灵敏度会大大降低

同时我们电阻增大的时候 我们电阻上的噪声也比较大

所以总体上 需要我们对你的检测灵敏度

以及检测距离 以及你的功耗进行一个折衷

那这个在我们后续的测量过程中 会有详细的介绍

那下面我们开始第一个部分的介绍 主要是放大和带通滤波器的设计

对运放有哪些要求呢 首先 它需要无线供电的

所以它的功耗会非常低 第二个是我们的运放的Ib和Vos

Ib也就是它的偏置电流 偏置电流之于

前端的高阻抗节点的影响

所以偏置电流一般越小越好

第二个是Vos Vos的影响主要是我们后级

在很高增益的时候 其实你Vos也是会放大

那这个时候如果你Vos比较大的时候 其实你输出会有一些影响

第三个考虑是我们的GBW GBW这里面会需要去提一下

就是说 实际上我们整体一个放大倍数是90dB

90dB其实是很高的一个放大倍数

如果说我们是用 单级的电路去实现的话

那这个时候其实对你运放的 GBW来说是要求非常高

但是如果说我们是用两级 每级40dB这样子的话

其实对你运放的GBW来说 其实也没有特别的要求

那我们可以看到 当我们每级220倍放大的时候

如果说带宽是10Hz的话 其实我们GBW是2.2K

那第四个是 [听不清]输入输出的运放

可以增加它的一个信号输入输出范围

可以使它的灵敏度更高一点

最后是说我们如果说运放有这种 
EMI的 EVMI的一个功能的话

也可以减少RF对高阻抗的一些影响

因为前端它的sensor这边 它的输入阻抗是会比较高

那除了运放的影响以外

滤波器的结构 其实也是会有一些影响的

那两节滤波器的结构

第一个方面可以减小 单级运放的高增益


影响我们的GWB影响

第二个是说两级结构
能够使我们 带动滤波器的Q值会设计的比较高

也就是说我们的阻带的带宽过度带宽会更窄 对于阻带的筛检来说也更加有利

同时第一级的同相输入端的 同相输入级

也可以减小电路的一个负载响应 起到一个阻抗变换的作用

最后我们根据PIR信号的特点

合理的选择带通滤波器的 截止频率也是非常关键的

在低截止频率的时候
我们可能 更多的考虑到是运放的1/f噪声

在高截止频率的时候
我们 更多考虑到的是运放的宽带噪声

那综合考虑来说 我们选择截止频率 是0.3到14Hz一个带通频带

每一级的放大 我们选择的是220倍 
带宽是10Hz

OK 下面我们可以看一下

这是典型的两级二阶 带通滤波器的频率响应

以及整个频率响应的一个曲线

可以看到四阶的一个带通滤波器 它可以实现一个很高的

又为90dB的一个高的增益

同时阻带的一个衰减又会更高

那右边是两级带通滤波器
 它的参数的一个计算

两级电路的参数基本上是一致的

那最后一个部分 主要是窗口比较器的设计

那窗口比较器对于 比较器的参数关键指标来说

也有几个比较关键的指标

首先 第一个是IQ电流

那跟运放的情况比较类似 它的静态电流要求的非常的低

第二个是我们的Vos和Ib

这个跟刚才的跟前面是比较一致的

轨到轨输出以及输出级结构

那我们在设计的时候 我们设计的有两个预值

一个是3/4个Vcc 然后低的我们是设计在1/4个Vcc

那正常的偏置电压 我们设计在1/2个Vcc

那这是我们参考设计里面 两个比较关键的信号链路的芯片

第一个是我们的LPV521 第二个是我们的TLV3691

那其实这两个芯片除了它在 
低功耗方面具有绝对的优势以外

那在它的其他一些功能方面 也是具有很大的优势

OK

那我们的第二个部分介绍就到此为止 谢谢大家

让我们开始第二个部分的介绍

第二个部分主要是介绍一下 模拟信号链路的设计

那主要包括以下几个部分

第一部分是低功耗高灵敏度 传感器偏置电路的设计

第二个部分是比较关键的 高增益低噪声的带通滤波器设计

第三个部分是低功耗低失调 窗口比较器电路设计

首先我们可以快速地看一下 整个信号链路的构成

第一级传感器偏置电路 第二级放大和带通滤波器电路

第三级窗口比较器电路

针对PIR偏置电路来说

系统需要提供一个 偏置电压给到PIR sensor

同时 PIR sensor的偏置电流也极大的 影响到整个PIR sensor的灵敏度

因此在进行 PIR sensor电路设计的时候

需要对偏置电压 以及偏置电流的设计

进行一个很好的考虑

第二个部分 放大和带通滤波器电流

主要是对前端微小的PIR信号 进行一个放大和滤波的作用

这里面需要考虑的是 放大电路的放大倍数

以及带通滤波器的带宽 以及它的品质因素Q值

同时还需要考虑到元件的静态电流

第三个部分是窗口比较器电路

那窗口比较器电路主要的作用是

对前端放大带通滤波器输出的信号 进行一个[听不清]比较

当超出预先设计的阈值的时候


需要提供一个高低电频去触发

进行slip模式的MCU 进行软件处理

下面会对每一部分 进行一个详细的介绍

首先我们可以来看一下 PIR sensor的信号特点

以及它的一个偏置电路的考虑

那我们可以看一下 首先我们对称结构的红外检测管

它能够很好的去滤除 由于环境等共模干扰的影响

第二个是说我们PIR sensor的 检测距离以及检测角度

很大程度上依赖于光学设计 也就是说我们菲涅尔透镜的作用

它能够去聚焦很远范围内 或是说角度很大的范围内的红外能量

能够来拓展它的检测距离和检测角度

那第三个需要去重点提出的是说

大部分PIR传感器 它都有一个预启动时间

而且这个预启动时间都比较长 不能够也不推荐进行节能供电

虽然这种方式 能够极大减少系统功耗

但是不能够保证 传感器一个正常的工作状态

最后也就是最关键的部分 我们偏置电路设计的时候

也就是偏置电阻如何选择 当我们偏置电阻选择比较大的时候

其实我们的偏置电流比较小 我们的系统功耗也会比较小

但是我们偏置电流减小的时候

其实我们PIR的 整体灵敏度会大大降低

同时我们电阻增大的时候 我们电阻上的噪声也比较大

所以总体上 需要我们对你的检测灵敏度

以及检测距离 以及你的功耗进行一个折衷

那这个在我们后续的测量过程中 会有详细的介绍

那下面我们开始第一个部分的介绍 主要是放大和带通滤波器的设计

对运放有哪些要求呢 首先 它需要无线供电的

所以它的功耗会非常低 第二个是我们的运放的Ib和Vos

Ib也就是它的偏置电流 偏置电流之于

前端的高阻抗节点的影响

所以偏置电流一般越小越好

第二个是Vos Vos的影响主要是我们后级

在很高增益的时候 其实你Vos也是会放大

那这个时候如果你Vos比较大的时候 其实你输出会有一些影响

第三个考虑是我们的GBW GBW这里面会需要去提一下

就是说 实际上我们整体一个放大倍数是90dB

90dB其实是很高的一个放大倍数

如果说我们是用 单级的电路去实现的话

那这个时候其实对你运放的 GBW来说是要求非常高

但是如果说我们是用两级 每级40dB这样子的话

其实对你运放的GBW来说 其实也没有特别的要求

那我们可以看到 当我们每级220倍放大的时候

如果说带宽是10Hz的话 其实我们GBW是2.2K

那第四个是 [听不清]输入输出的运放

可以增加它的一个信号输入输出范围

可以使它的灵敏度更高一点

最后是说我们如果说运放有这种 
EMI的 EVMI的一个功能的话

也可以减少RF对高阻抗的一些影响

因为前端它的sensor这边 它的输入阻抗是会比较高

那除了运放的影响以外

滤波器的结构 其实也是会有一些影响的

那两节滤波器的结构

第一个方面可以减小 单级运放的高增益


影响我们的GWB影响

第二个是说两级结构
能够使我们 带动滤波器的Q值会设计的比较高

也就是说我们的阻带的带宽过度带宽会更窄 对于阻带的筛检来说也更加有利

同时第一级的同相输入端的 同相输入级

也可以减小电路的一个负载响应 起到一个阻抗变换的作用

最后我们根据PIR信号的特点

合理的选择带通滤波器的 截止频率也是非常关键的

在低截止频率的时候
我们可能 更多的考虑到是运放的1/f噪声

在高截止频率的时候
我们 更多考虑到的是运放的宽带噪声

那综合考虑来说 我们选择截止频率 是0.3到14Hz一个带通频带

每一级的放大 我们选择的是220倍 
带宽是10Hz

OK 下面我们可以看一下

这是典型的两级二阶 带通滤波器的频率响应

以及整个频率响应的一个曲线

可以看到四阶的一个带通滤波器 它可以实现一个很高的

又为90dB的一个高的增益

同时阻带的一个衰减又会更高

那右边是两级带通滤波器
 它的参数的一个计算

两级电路的参数基本上是一致的

那最后一个部分 主要是窗口比较器的设计

那窗口比较器对于 比较器的参数关键指标来说

也有几个比较关键的指标

首先 第一个是IQ电流

那跟运放的情况比较类似 它的静态电流要求的非常的低

第二个是我们的Vos和Ib

这个跟刚才的跟前面是比较一致的

轨到轨输出以及输出级结构

那我们在设计的时候 我们设计的有两个预值

一个是3/4个Vcc 然后低的我们是设计在1/4个Vcc

那正常的偏置电压 我们设计在1/2个Vcc

那这是我们参考设计里面 两个比较关键的信号链路的芯片

第一个是我们的LPV521 第二个是我们的TLV3691

那其实这两个芯片除了它在 
低功耗方面具有绝对的优势以外

那在它的其他一些功能方面 也是具有很大的优势

OK

那我们的第二个部分介绍就到此为止 谢谢大家