2. 模拟前端设计基础
模拟前端（AFE）位于传感器与 ADC 之间，它的任务不是"放大信号"这么简单，而是把传感器输出的微弱、带共模、带干扰、带源阻抗的信号，转换成 ADC 能够正确量化的一路差分电压。理解 AFE，需要同时看清三件事：信号在链路上如何被调理、噪声从哪里进入、以及共模与差模在每一级如何被区别对待。
一、信号调理链的基本构成
一个典型的精密数据采集前端通常包含：输入保护与偏置、仪表放大器（或差分放大器）实现差分到单端的转换与增益、抗混叠低通滤波、ADC 驱动级（可能含电平移位与缓冲）。以桥式压力传感器为例，其满量程输出常为 10 mV/V～20 mV/V，在 5 V 激励下满量程仅 50～100 mV，而 ADC 参考电压为 2.5 V 或 5 V。若 ADC 为 24 位、满量程 ±2.5 V，则 1 LSB 约为 0.3 µV。要让 100 mV 信号用满 ADC 量程，需要约 25～50 倍增益；同时必须保证放大后的噪声不淹没 1 LSB 级别的分辨率。
增益的分配不是随意的。第一级增益决定了后级噪声被"压缩"的程度：若第一级增益为 G1，则后级折算到输入的噪声除以 G1。因此应尽量把增益放在最靠近传感器的第一级，但第一级增益又受带宽、失调和共模范围限制。这是 AFE 设计的第一个权衡点。
二、共模与差模：必须分开处理的两个量
定义参照：差模电压 Vdm = V+ − V−，共模电压 Vcm = (V+ + V−)/2。传感器真正携带信息的是 Vdm，而 Vcm 往往来自地电位差、长线感应或电桥偏置，可能高达数伏。仪表放大器的核心价值就在于：对 Vdm 提供稳定增益，对 Vcm 提供高抑制（CMRR）。
CMRR 通常以 dB 表示，且随频率下降。例如某仪表放大器在 DC 处 CMRR 为 120 dB，在 1 kHz 处降为 90 dB。若 Vcm 为 2 V、CMRR 为 90 dB，则等效到输入的共模误差约为 2 V / 31623 ≈ 63 µV，这已经远大于 1 LSB。因此在高共模、高分辨率场合，必须关注 CMRR 的频率特性，而不是只看 DC 指标。
三、输入阻抗与源阻抗的匹配
仪表放大器的输入阻抗分为差模输入阻抗和共模输入阻抗。传统三运放仪表放大器共模输入阻抗极高（可达 GΩ 级），但差模输入阻抗相对较低，且随增益变化。当传感器源阻抗不平衡时，源阻抗与输入阻抗形成分压，会把共模转成差模，直接吃掉 CMRR。例如源阻抗不平衡 1 kΩ、差模输入阻抗 100 kΩ，则共模抑制被限制在约 40 dB 量级。因此在高源阻抗或不平衡源阻抗场合，应优先选择高输入阻抗的仪表放大器，或在输入端加缓冲。
四、噪声源分析
AFE 的噪声主要来自四类：放大器电压噪声 en、放大器电流噪声 in 流过源阻抗产生的噪声、电阻热噪声、以及 ADC 与驱动级的噪声。电阻热噪声为 √(4kTRB)，室温下 1 kΩ 在 1 Hz 带宽内约为 4 nV/√Hz。若源阻抗为 1 kΩ，放大器电流噪声为 1 pA/√Hz，则电流噪声贡献为 1 nV/√Hz，尚可接受；若源阻抗为 100 kΩ，则电流噪声贡献达 100 nV/√Hz，成为主导。这说明：低源阻抗看电压噪声，高源阻抗看电流噪声。
总输入等效噪声需按各噪声源平方和再开方合成，并折算到同一带宽。若目标分辨率对应 1 LSB = 0.3 µV，而总输入噪声为 1 µVrms，则有效位数会明显下降。工程上常用"噪声自由位"估算：噪声峰峰值约为 rms 的 6.6 倍，若要求噪声峰峰值小于 1 LSB，则 rms 噪声需小于约 0.045 µV，这对器件和带宽都提出很高要求。
五、ADI 仪表放大器与差分放大器选型要点
选型时建议按以下顺序逐项核对：
- 拓扑：三运放仪表放大器（如 AD8221、AD8421）适合高共模抑制、高输入阻抗；差分放大器（如 AD8276、ADA4940）适合已差分信号、需要电平移位或驱动差分 ADC。
- 增益方式：固定增益、引脚编程增益还是外部电阻设定增益。外部电阻设定增益时，增益误差和温漂由电阻决定，需选低漂移电阻。
- CMRR 与频率：核对目标频段内的 CMRR，而非仅 DC 值。
- 噪声：比较 0.1～10 Hz 峰峰值噪声与 1 kHz 处噪声谱密度，结合源阻抗判断电压噪声还是电流噪声主导。
- 失调与漂移：失调电压、失调漂移、增益漂移共同决定直流精度。
- 输入与输出范围：输入共模范围是否覆盖传感器共模，输出摆幅是否满足 ADC 输入要求。
- 带宽与建立时间：与抗混叠滤波器、ADC 采样率匹配。
下面这张图把上述关系组织成一条从传感器到 ADC 的信号链，并标出每一级的关键参数与噪声注入点，便于对照选型。
六、一个可复用的选型核对表示例
下表以"电桥式压力传感器 + 24 位 ΣΔ ADC"为例，给出可直接填写的核对表。表中数值为示例假设，实际设计需以器件手册和实测为准。
| 核对项 | 示例目标值 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 传感器满量程 | 100 mV | 10 mV/V × 5 V 激励 |
| ADC 满量程 | ±2.5 V | 参考电压 2.5 V，差分输入 |
| 所需增益 | 约 25～50 | 100 mV × G ≈ 2.5 V |
| 目标分辨率 | 1 LSB = 0.3 µV | 24 位、±2.5 V |
| 允许输入噪声 rms | < 0.045 µV | 峰峰值 < 1 LSB，6.6 倍换算 |
| 源阻抗 | 1 kΩ，不平衡 < 10 Ω | 决定电流噪声与 CMRR 退化 |
| 目标频段 CMRR | > 100 dB @ DC～100 Hz | 共模 2 V 时误差 < 20 µV |
| 抗混叠截止频率 | 约 1 kHz | 低于 ADC 采样率一半 |
把以上内容串起来，AFE 设计的实质是：在增益、带宽、噪声、共模抑制和输入阻抗之间做一组相互牵制的取舍。先明确传感器输出与 ADC 输入之间的差距，再按噪声预算反推各级允许的噪声和增益分配，最后用选型核对表逐项验证，才能让 24 位 ADC 真正发挥出接近 24 位的有效分辨率。