高精度低频模拟前端设计方案：从传感器到 24 位 ADC 的完整链路优化
一、引言
在医疗成像设备中，系统往往需要对温度、压力等低频缓变传感信号进行高精度采集，例如探头温度监控、冷却系统压力监测、环境状态监控等。这类信号通常具有：
- 幅度微弱（微伏～毫伏级）
- 频带极窄（DC～几十 Hz）
- 极易受工频、电源、数字噪声等干扰
要在此类场景下真正发挥 24 位 Δ-Σ ADC 的有效分辨率（ENOB）与动态范围，模拟前端（AFE）必须在传感器接口、前置放大、滤波、采样保持和 ADC 选择等各个环节系统性优化，并同时抑制器件失配、热噪声、1/f 噪声、偏置漂移、电源纹波等误差源。
本文基于标准 CMOS 工艺可实现的电路模块（零漂仪表放大器、Σ-Δ ADC 等），从完整信号链出发，构建一套可工程化落地的高精度 AFE 方案，重点面向医疗成像中的温度/压力等低频测量，也具有对 ECG/EEG 等生物电信号的高度参考价值。
二、系统架构与设计目标
典型高精度低频信号链如图 1 所示：
传感器 → 仪表放大器（INA） → 低通/抗混叠滤波 → ADC（Σ-Δ 或 SAR）→ 数字处理
图1：高精度模拟前端信号链示意
在这一架构下，本设计目标包括：
-
高精度与低噪声
- 目标：在 24 位 ADC 下获得尽可能高的 ENOB（例如 ≥ 19～20 位噪声自由分辨率）
- 降低输入换算噪声至纳伏级，尤其要抑制低频 1/f 噪声和谐波失真
-
CMOS 工艺适配
- 所有电路模块均可用标准 CMOS 工艺实现：斩波/自稳零放大器、Σ-Δ ADC、片上电阻网络等
- 充分考虑器件匹配、温漂特性和可集成的自校准机制
-
低频性能与工频抑制
- 关注 DC～几百 Hz 的低频信号
- 在极低输出速率（如 20 SPS）下，仍能实现对 50 Hz/60 Hz 干扰的深度抑制（>100 dB 级别）
-
完整传感器接口能力
- 支持多类低频传感器：电桥式压力、热电偶、RTD（铂电阻）、以及类比的生物电信号
- 提供电桥激励、恒流源、比率测量和冷端补偿等功能
-
误差源抑制与长期稳定性
- 控制电阻匹配误差、热噪声、失调与漂移、电源噪声耦合
- 提高 CMRR、PSRR 与温漂性能，满足医疗长期运行和定标要求
下文将沿着信号链，自前端到 ADC，依次展开。
三、传感器接口与前置放大设计
3.1 多类传感器应用场景
-
电桥式压力传感器（应变计桥）
- 输出满量程仅数十毫伏
- 需精密恒压/恒流激励 + 差分测量
- 推荐采用比率测量（ratiometric）架构：将桥路激励电源同时作为 ADC 参考电压，从而消除激励源波动的影响
-
热电偶
- 量程宽（典型 -200～1300 ℃），灵敏度低（如 K 型约 41 µV/℃）
- 输出为微伏级双极性差分信号，需高增益+极低失调的前置放大
- 必须做冷端补偿：在接线端布置高精度温度传感器（RTD/集成传感器），在数字域补偿热电偶输出
-
RTD 铂电阻温度计（例如 Pt100）
- 0 ℃ 时 100 Ω，温度系数约 0.385 Ω/℃
- 常用恒流源激励，测量其压降；或组成惠斯通电桥提高灵敏度
- 为消除恒流源误差，可同时测量 RTD 与参考电阻压降，采用比率测量提高精度
-
生物电信号（ECG/EEG 等）
- 微伏级差分信号、频带极窄（Hz～kHz 以下）
- 对 CMRR 与噪声要求更严苛
- 虽然本文聚焦温度/压力，但前端放大原理高度相似，设计思路可以通用
3.2 仪表放大器（INA）关键指标
前置放大建议采用仪表放大器（Instrumentation Amplifier, INA） ，其具备：
- 高输入阻抗
- 高差分增益
- 极高共模抑制比（CMRR）
适合通过长线缆远距采集微弱信号，同时抑制共模干扰。
(1) 失调与漂移
-
对热电偶/RTD 等微伏～毫伏级信号，放大器输入失调必须远小于目标分辨率
-
首选零漂移（斩波/自稳零）型 INA：
- 输入失调仅数 µV 级
- 温漂可低至几十 nV/℃ 级
- 实际上把低频 1/f 噪声和失调调制到高频再滤除，基带噪声几乎为白噪声
(2) 增益与带宽
- 总增益典型在 100～1000 倍，用于把毫伏级信号放大到 ADC 满量程（几伏）
- 单级增益过高会受限于运放的 GBW 和相位裕度 → 实务中多为内部多级结构
- 外围系统可以再叠加一小级可调增益或偏置调整级，实现更灵活的标定
(3) 共模抑制比（CMRR）
- 医疗环境中工频干扰与共模噪声严重
- 在增益 ≥ 100 时 CMRR 要求通常 ≥ 100 dB
- 设计上需保证输入网络严格对称匹配，PCB 布局上使两路输入完全对称，减小寄生差异
(4) 输入保护与安全
- 医疗应用需兼顾病人安全和器件保护
- 输入端可加入限流电阻、ESD 二极管、TVS 管等，防止静电和过压
- 集成方案中，可通过片上保护结构和外部隔离放大器进一步提升安全性
3.3 多级放大 vs. 单级高增益
表 1：前置放大架构对比
| 方案 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 多级放大 | 每级增益较低，带宽与稳定性更好；噪声可优化分配；可在级间加入滤波、偏置调整 | 元件数量多、面积与功耗上升；级间失调与误差会累积；调试与校准更复杂 | 极高精度要求、总增益 > 1000、功能丰富（滤波/校准）的高端医疗/仪器系统 |
| 单级高增益 | 结构简单、链路短；级间匹配问题少；易于集成、成本低 | 对单颗放大器 GBW 与开环增益要求极高；自身失调与噪声被一次性全部放大 | 中等增益（≤ 100~200）、信号幅度相对较大（> 几 mV）、成本/功耗敏感场合 |
实际工程中，多数高精度 AFE 会采用“高性能仪表放大器 + 次级微调放大/滤波级”的多级架构，以便在保证噪声和 CMRR 的同时，留出足够的滤波与校准余地。
四、滤波器设计与采样保持
4.1 抗混叠与带宽控制
放大后的信号进入 ADC 前，必须通过低通滤波器限制带宽：
-
目标低频信号带宽通常 < 100 Hz
-
可将模拟低通截止频率设计在 200～500 Hz 范围：
- 覆盖所有有效变化
- 大幅削弱 kHz 以上噪声，防止混叠
常用方案：
- 有源 Sallen-Key 二阶低通：在 INA 输出使用低噪声运放构建，频率和 Q 因数易调
- 无源 RC 低通：简单可靠，将 INA 输出通过 RC 直接接入 ADC，若 ADC 输入为高阻或内部带缓冲，则足够
对于 50/60 Hz 工频干扰，可采用：
- Σ-Δ ADC 内部数字滤波与工频陷波器
- 或在模拟域加入工频陷波（如双 T 网络），但一般以数字方案为主
4.2 SAR ADC 的采样保持与驱动
如果采用 SAR ADC，其内部通常使用开关电容采样，在采样瞬间会从前级拉取电荷，导致：
- 前级输出瞬态跌落
- 若驱动带宽不够，则采样期间电压尚未稳定，产生转换误差
典型解决方案：
-
在 SAR 输入前增加一颗高速、低失调的缓冲运放（ADC Driver）
-
在运放与 ADC 输入之间串联几百欧姆电阻 + 数 nF 电容：
- 既形成一阶抗混叠滤波
- 又限制瞬间充电电流，使运放在采样间隙内有足够时间恢复稳定
RC 参数的选择需兼顾：
- RC 时间常数 ≫ 采样瞬间宽度，用于滤除尖峰
- 又要保证在一个采样周期内电压完成 >99% 收敛
4.3 Σ-Δ ADC 的输入特性
Σ-Δ ADC 的前端更像一个连续时间积分器，对源阻抗和采样瞬态不那么敏感，但注意：
- 若内部 PGA 开启高增益，等效输入阻抗会下降
- 源阻抗过大时，会带来增益误差与失真
应对措施：
- 使用 ADC 内部的缓冲器（如有）
- 或在外加单位增益缓冲，隔离 INA 输出与 Σ-Δ 输入
4.4 滤波与动态响应权衡
-
若系统只关心“缓慢变化的平均值”，可以用多极低通 + 低速输出速率换取极低噪声
-
若需要多路复用采样与相对快速稳定，建议采用巴特沃斯等平滑响应滤波器，避免过度振铃
-
Σ-Δ ADC 内部数字滤波具有固有群延迟，如果系统对实时性有要求，可：
- 选用高输出速率或“最小延迟模式”
- 或改用 SAR ADC + 模拟滤波组合
五、ADC 架构选择：Σ-Δ vs SAR
针对低频高精度信号，Σ-Δ ADC 与 SAR ADC 是最常见的两种架构。表 2 给出关键比较。
表 2：Σ-Δ ADC 与 SAR ADC 架构比较
| 指标 | Σ-Δ ADC | SAR ADC |
|---|---|---|
| 分辨率 / ENOB | 分辨率可达 20～24 位，ENOB 可达 18～21 位；适合微小信号与超高动态范围 | 常见 16～18 位，ENOB 约 15～17 位；需通过过采样/平均进一步提升分辨率 |
| 采样速率 | 低～中速（10 SPS～几 ksps 常见），受数字滤波与噪声性能限制 | 中～高速（100 kSPS～数 MSPS），可支持 MHz 级采样率 |
| 转换延迟 | 有内部数字滤波延迟（多采样周期），不适合严格“瞬时读数” | 几乎无延迟，一次转换即得结果，适合快速反馈与控制 |
| 噪声性能 | 利用过采样和噪声整形可获得极低输入换算噪声与极高动态范围 | 量化噪声由分辨率决定，噪声略高于同分辨率 Σ-Δ；可靠外部平均改善 |
| 线性与 THD | INL/DNL 可做到 ±几 LSB，THD 主要取决于前端驱动与输入信号幅度 | 高档 SAR 可达 ±1 LSB 级 INL，THD 约 -100 dB 左右；对驱动和采样瞬态较敏感 |
| 功耗 | 在低速高精度模式下非常省电（数百 µA 级）；高速模式功耗上升 | 功耗随采样率基本线性上升，在中高速场合效率较好 |
| 集成度 | 常集成 PGA、多通道 MUX、内部基准、温度传感器、数字滤波等，适合直连传感器 | 集成度相对较低，多数只提供采样保持 + ADC 核心，需外部放大器和参考 |
| 典型应用 | 温度/压力传感器、称重、医疗监护等低频极高精度场景 | 数据采集、过程控制、多通道扫描与中高速度控制场景 |
结论：
-
对于医疗成像设备中温度/压力等缓慢变化量：
- 更新速率要求不高（每秒几次采样即可）
- 更关注绝对精度与噪声 → 优先选择 Σ-Δ ADC
-
若系统需要同时兼顾中高速响应或快速控制（如实时安全监控）：
- 可选用高分辨率 SAR ADC + 平均，或采用 Σ-Δ + SAR 的混合架构
六、精度影响因素与系统级对策
要实现“真正高精度”，不能只看器件标称指标，而要系统性地控制各类误差源。
6.1 电阻匹配与增益误差
-
INA 的增益和差分放大网络高度依赖电阻比值
-
电阻不匹配会直接导致：
- 增益误差
- CMRR 降低 → 共模干扰泄漏到差模输出
对策：
- 重要增益电阻采用比值设计并在芯片级做激光修调或工艺修调
- 使用外部高精度薄膜/箔电阻（精度 0.01%，温漂 ±5 ppm/℃ 级）设置关键增益/偏置信号
- PCB 上将关键电阻紧凑、对称排列，避免热梯度和机械应力引起的参数漂移
6.2 热噪声与 1/f 噪声
系统总噪声 = 电阻热噪声（白噪声）＋ 器件闪烁噪声（1/f）。
-
降噪策略：
- 用滤波器缩窄带宽 B（热噪声 ~ √B）
- 选低噪声器件（运放噪声密度 <10 nV/√Hz）
- 尽量避免使用超大阻值电阻（热噪声随 R 增大）
-
对于低频段占主导的 1/f 噪声：
- 采用斩波/自稳零技术非常有效，可将低频噪声与失调搬移到高频再滤除
- 高端零漂运放在 0.1～10 Hz 内的噪声可以压到几十 nV 量级，有利于 24 位 ADC 发挥性能
6.3 偏置误差与温度漂移
-
输入偏置电压、偏置电流都会在低频场景产生明显 DC 误差
-
零漂放大器基本消除了电压失调与漂移
-
偏置电流可通过：
- 使用 CMOS 输入级放大器（pA 级偏置）
- 合理设置输入阻抗，降低其对测量值的影响
系统校准策略：
- 上电自校：短接输入或切换至内部参考，测量零点误差并在数字域扣除
- 温度自校：在温度变化或定期运行温度扫描校准曲线，软件中做温度补偿
- 某些高端 Σ-Δ ADC 内置“背景校准”，可在采集过程中持续修正零点/增益误差
6.4 电源噪声与隔离
电源纹波通过有限的 PSRR 进入放大器输入等效端，对低频 DC 精度尤其致命。
-
对策：
- 为放大器和 ADC 提供独立的低噪声 LDO，并做 RC/π 型滤波
- 模拟电源与数字电源分区布线、星形接地、适当加磁珠隔离
- 对患者侧与系统侧采用隔离放大器/隔离 ADC + 隔离 DC/DC，避免地电位差与共模噪声
6.5 线性失真与工作范围
即便信号是低频 DC/缓变，对线性度的要求依旧很高。
- 放大器输出不得逼近供电轨，需保留足够“头房”
- ADC 工作在指定输入范围内，避免用到失真严重的边缘区域
- 通过出厂时的多点标定，可进一步消除残余非线性 INL 误差
6.6 温漂与长期稳定性
医疗设备往往需要长期稳定运行，并定期校验，因此：
- 选用低漂移基准源（如 5 ppm/℃ 及以下）、零点年漂移微伏级的 INA、长寿命薄膜/箔电阻
- PCB 布局避免应力集中；对关键器件周围做“机械与热对称”
- 软件层面保留零点校准/标定接口，允许在维护期重新校正系统
目标是：让所有模拟链路误差降至与 ADC 分辨率同一数量级甚至更低，使整个系统的满量程误差可控制在 0.1% 甚至 0.01% 级别（视具体应用等级与校准策略而定）。
七、推荐架构与应用小结
综合上述分析，对于医疗成像中温度/压力等低频高精度测量，推荐架构如下：
传感器 → 零漂仪表放大器（多级前端）→ 模拟低通/抗混叠滤波 → 24 位 Σ-Δ ADC（带 PGA 与数字滤波）→ 数字处理/补偿
典型配置：
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前端 INA
- 选择零漂仪表放大器（如专为低频测量优化的型号）
- 增益设定在 100～500 倍，将微小信号放大到数伏级
- 保证高 CMRR、低噪声和低失调
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滤波与工频抑制
- INA 后增加一阶/二阶低通滤波（有源或无源）
- 截止频率设置在数百 Hz
- 利用 Σ-Δ ADC 内部数字滤波实现 50/60 Hz 工频陷波与过采样
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24 位 Σ-Δ ADC
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带 PGA、多路输入复用、内部基准和温度传感器
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采样速率设置为 10～50 SPS，优先追求噪声性能
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利用多通道能力实现：
- 电桥输出 + 激励电压同时测量，做比率计算
- 热电偶 + 冷端温度（RTD/集成温度计）同步采集
-
在良好 PCB 布局、电源管理和系统校准条件下，该方案有望实现：
- 噪声自由分辨率优于 19～20 位
- 温度分辨率可细化到 0.02 ℃ 甚至更优（取决于传感器本身）
- 压力/温度等量测的综合误差可控制在 0.1% 级别
八、工程落地与扩展
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不同传感器的专用微调
- 热电偶：优选带内部温度传感器和冷端补偿支持的 ADC，简化系统设计
- 电桥压力：利用多通道 Σ-Δ ADC 同时采集桥路输出与激励，实现精准比率测量
- RTD：配置恒流源 + 比率测量通道，在数字域实现线性化与多点标定
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PCB 与电磁兼容
- 模拟前端区域做完整地参考和屏蔽
- 传感器输入差分走线长度、路径、环境完全对称，减小共模转差模
- 将高速数字线（时钟、LVDS 等）远离前端模拟区域，必要时加地带隔离
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软件与系统校准
- 上电自动零点校准
- 通过已知温度/压力标准源定期重新标定增益与非线性
- 对关键参数做温度补偿与老化补偿，提高多年稳定性
九、结语
通过围绕完整信号链进行系统级优化——从传感器接口、电桥/恒流激励、零漂仪表放大器、多级滤波、采样保持到 24 位 Σ-Δ ADC 的选择与应用——可以在标准 CMOS 工艺平台上实现一套真正高精度的低频模拟前端方案。
该方案不仅能为医疗成像设备提供精确、稳定的温度和压力信息，提升图像质量与诊断可靠性，同时也对其他领域的高精度低频测量（如精密仪器、工业变送器、重量/位移传感等）具有良好的参考价值。
