【導(dǎo)讀】自動(dòng)測試設(shè)備、機(jī)器自動(dòng)化、工業(yè)和醫(yī)療儀器儀表等應(yīng)用需要精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便準(zhǔn)確分析并數(shù)字化物理或模擬信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師為了實(shí)現(xiàn)高分辨率精密逐次逼近型(SAR) ADC數(shù)據(jù)手冊中列示的較高性能，常常不得不使用專用高功率、高速放大器來驅(qū)動(dòng)其精密應(yīng)用中的傳統(tǒng)型開關(guān)電容SAR ADC輸入。
這是設(shè)計(jì)精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈時(shí)遇到的常見難點(diǎn)，本文介紹的引腳兼容AD4000 ADC系列可解決此問題。該系列16/18/20位精密SAR ADC采用ADI高級(jí)技術(shù)和先進(jìn)架構(gòu)設(shè)計(jì)而成，集成了多種簡單易用的特性，提供很多系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢，有助于降低信號(hào)鏈功耗和復(fù)雜性，提高通道密度，而性能并無明顯下降。高阻態(tài)模式、低輸入電流和長采集階段的獨(dú)特結(jié)合，降低了ADC驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)難度和對ADC驅(qū)動(dòng)器的建立要求。因此，驅(qū)動(dòng)ADC的放大器選擇可以拓寬到較低功率/帶寬的精密放大器，包括直流或低頻(<10 kHz)應(yīng)用所用的JFET和儀表放大器。本文將介紹各種具有較低RC濾波器截止頻率的精密放大器，它們能直接驅(qū)動(dòng)該ADC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較優(yōu)性能，而且無需專用ADC驅(qū)動(dòng)器級(jí)，大幅減少系統(tǒng)功耗、電路板面積和BOM成本。
驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)SAR ADC輸入
圖1顯示了構(gòu)建精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)使用的典型信號(hào)鏈。受開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)影響，高分辨率精密SAR ADC的驅(qū)動(dòng)一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要痛點(diǎn)和棘手問題。
圖1. 典型的精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要密切關(guān)注ADC驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊，了解噪聲、失真、輸入/輸出電壓上裕量/下裕量、帶寬和建立時(shí)間等技術(shù)規(guī)格。一般地，采用的高速ADC驅(qū)動(dòng)器需要具備寬帶寬、低噪聲和高功率等特征，以便在可用采集時(shí)間內(nèi)建立SAR ADC輸入的開關(guān)電容反沖。這項(xiàng)要求會(huì)大幅減少可用于驅(qū)動(dòng)ADC的放大器選擇，不得不在性能/功率/面積方面進(jìn)行大幅妥協(xié)。另外，選擇一款合適的RC濾波器置于驅(qū)動(dòng)器與ADC輸入之間，這項(xiàng)要求又對放大器選擇和性能構(gòu)成了進(jìn)一步的限制。ADC驅(qū)動(dòng)器輸出與SAR ADC輸入之間需要用RC濾波器來限制寬帶噪聲，減少電荷反沖的影響。一般情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要花費(fèi)大量時(shí)間去評(píng)估信號(hào)鏈，確保所選ADC驅(qū)動(dòng)器和RC濾波器能切實(shí)驅(qū)動(dòng)ADC，以實(shí)現(xiàn)所需性能。
如圖2中的時(shí)序圖所示，SAR ADC吞吐速率（1/周期時(shí)間）包括轉(zhuǎn)換和采集兩個(gè)階段，ADC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可利用串行SPI接口在采集階段輸出。在傳統(tǒng)SAR架構(gòu)中，轉(zhuǎn)換階段通常較長而采集階段較短。在轉(zhuǎn)換階段，ADC電容DAC與ADC輸入斷開，以執(zhí)行SAR轉(zhuǎn)換。輸入在采集階段重新連接，ADC驅(qū)動(dòng)器必須在下一個(gè)轉(zhuǎn)換階段開始之前將非線性輸入反沖建立至正確的電壓。由于較低截止頻率的RC濾波器，ADC驅(qū)動(dòng)器無法在可用采集時(shí)間內(nèi)消除傳統(tǒng)SAR ADC反沖，ADC失真/線性度性能因而下降。
圖2. 傳統(tǒng)SAR ADC時(shí)序圖
圖3. AD4000 ADC系列時(shí)序圖，包括輸入反沖。
較長采集階段
AD4000 ADC系列的轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短(290 ns)，ADC會(huì)在當(dāng)前轉(zhuǎn)換過程結(jié)束前100 ns返回采集階段，因而采集階段較長，如圖3所示。即使高輸入阻抗(Z)模式禁用，從該ADC系列輸入端看到的非線性反沖也顯著降低；當(dāng)高阻態(tài)模式使能時(shí)，非線性反沖降至幾乎可忽略不計(jì)的程度。這可以降低ADC驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間負(fù)擔(dān)，并且支持較低的RC截止頻率和較大R值，因此噪聲較高且/或功耗/帶寬較低的放大器也可以使用。這樣便可基于目標(biāo)信號(hào)帶寬，而非基于開關(guān)電容輸入的建立要求來選擇ADC之前的放大器和RC濾波器。RC濾波器可以使用較大的R值和較小的對應(yīng)C值，減少放大器穩(wěn)定性問題，同時(shí)也不會(huì)大幅影響失真性能。較大的R值有助于在過壓情況下保護(hù)ADC輸入，并降低放大器的動(dòng)態(tài)功耗。較長采集階段的另一個(gè)好處是它支持低SPI時(shí)鐘速率，從而可以降低輸入/輸出功耗，拓寬處理器/FPGA選擇范圍，簡化數(shù)字隔離要求，而ADC吞吐速率不受影響。
高阻態(tài)模式
AD4000 ADC系列集成了一個(gè)高阻態(tài)模式，在采集開始時(shí)，該模式可以在電容DAC切換回輸入時(shí)減少非線性電荷反沖。使能高阻態(tài)模式時(shí)，電容DAC在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)充電，以保持上次采樣的電壓。這一過程可以減少轉(zhuǎn)換過程的任何非線性電荷效應(yīng)，該效應(yīng)會(huì)影響到下次采樣前在ADC輸入端采集的電壓。高阻態(tài)模式的好處是無需專用高速ADC驅(qū)動(dòng)器，可以選擇較低功率/帶寬的精密放大器，包括針對低頻(<10 kHz)或直流信號(hào)的JFET和儀表放大器。
圖4所示為 AD4003/AD4007/AD4011 在高阻態(tài)模式使能/禁用時(shí)的輸入電流。低輸入電流使ADC比市場上現(xiàn)有的傳統(tǒng)SAR ADC更易驅(qū)動(dòng)，即便是在高阻態(tài)模式禁用的情況下。如果將圖4中高阻態(tài)模式禁用時(shí)的輸入電流與上一代 AD7982 ADC的輸入電流進(jìn)行比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)AD4007在1 MSPS條件下的輸入電流降低了4倍。高阻態(tài)模式使能時(shí)，輸入電流進(jìn)一步降至亞微安級(jí)。
此ADC系列較低的輸入電流，使得我們能以比傳統(tǒng)SAR高得多的源阻抗來驅(qū)動(dòng)它。這意味著，RC濾波器中的電阻值可以比傳統(tǒng)SAR設(shè)計(jì)大10倍。
圖4. 高阻態(tài)使能/禁用條件下AD4003/AD4007/AD4011 ADC輸入電流與輸入差分電壓的關(guān)系。
精密放大器直接驅(qū)動(dòng)AD4000 ADC系列
對于多數(shù)系統(tǒng)，前端（非ADC本身）通常會(huì)限制信號(hào)鏈可以實(shí)現(xiàn)的整體交流/直流性能。從圖5和圖6所選的精密放大器數(shù)據(jù)手冊中可以看出，精密放大器自身的噪聲和失真性在某個(gè)輸入頻率下決定了SNR和THD規(guī)格。然而，這種帶高阻態(tài)模式的ADC系列極大地拓寬了驅(qū)動(dòng)放大器的選擇范圍，包括信號(hào)調(diào)理級(jí)中使用的精密放大器，同時(shí)提高了RC濾波器選擇的靈活性，而且對于選定放大器，仍能實(shí)現(xiàn)較優(yōu)性能。
圖5和圖6顯示了AD4003/AD4020 ADC的SNR和THD性能，采用低功耗 ADA4692-2 (IQUIESCENT = 180 μA/放大器)、低輸入偏置JFET ADA4610-1 (IQUIESCENT = 1.5 mA/放大器)和零交越失真 ADA4500-2 (IQUIESCENT = 1.55 mA/放大器)精密放大器，使用1 kHz輸入音驅(qū)動(dòng)ADC輸入，基準(zhǔn)電壓為5 V，以最高吞吐速率運(yùn)行，高阻態(tài)模式使能和禁用兩種情況，并使用不同的RC濾波器值。使能高阻態(tài)模式時(shí)，對于260 kHz和498kHz的較低RC帶寬，ADA4692-2和ADA4610-1放大器可實(shí)現(xiàn)98 dB以上的典型SNR，這有助于在目標(biāo)信號(hào)寬帶較低時(shí)，消除來自上游信號(hào)鏈組件的寬帶噪聲。根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)人員可以選擇合適的精密放大器來驅(qū)動(dòng)ADC輸入。例如，ADA4692-2軌到軌放大器更適合便攜式、功耗敏感型應(yīng)用，能夠直接驅(qū)動(dòng)該ADC系列，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)較優(yōu)性能。
在高阻態(tài)模式使能的情況下使用此類放大器時(shí)，即便RC帶寬低于1.3 MHz，R值大于390 Ω，AD4003/AD4020 SNR也會(huì)提高至少10dB；RC濾波器截止頻率為4.42 MHz時(shí)，THD保持在–104 dB以上。注意，該ADC系列可利用最高吞吐速率來進(jìn)行過采樣，從而以較低RC濾波器截止頻率實(shí)現(xiàn)更好的SNR性能。
圖5. AD4003/AD4020 SNR與RC帶寬的關(guān)系，使用ADA4692-2、ADA4610-1和ADA4500-2精密放大器， fIN = 1 kHz, REF = 5 V。
圖6. AD4003/AD4020 THD與RC帶寬的關(guān)系，使用ADA4692-2、ADA4610-1和ADA4500-2精密放大器， fIN = 1 kHz, REF = 5 V。
使能高阻態(tài)模式時(shí)，AD4003/AD4020通常會(huì)消耗2 mW/MSPS至2.5mW/MSPS的額外功耗，但這仍然顯著低于使用 ADA4807-1之類專用ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)的功耗，而且這還能節(jié)省PCB面積和物料成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以使用功耗低5.5倍的ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4692-2（相比ADA4807）；當(dāng)高阻態(tài)模式禁用時(shí)，對于2.27 MHz和4.47 MHz RC帶寬，此ADC仍能實(shí)現(xiàn)約96 dB的典型SINAD。高阻態(tài)模式使能時(shí)，使用ADC驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)ADC，SNR/THD性能更好；高阻態(tài)模式禁用時(shí)，需要權(quán)衡ADC SNR/THD性能與RC濾波器截止頻率。
儀表放大器直接驅(qū)動(dòng)AD4000 ADC系列
儀表放大器提供出色的精密性能、共模抑制和高輸入阻抗，可與傳感器直接接口，但小信號(hào)帶寬一般較低(<10 MHz)。利用SAR ADC和儀表放大器設(shè)計(jì)精密信號(hào)鏈（如ATE和醫(yī)療設(shè)備）的客戶，在將信號(hào)送至ADC輸入端之前，通常會(huì)使用信號(hào)調(diào)理或驅(qū)動(dòng)器級(jí)，以便轉(zhuǎn)換電平和消除反沖。
圖7所示為AD8422 直接驅(qū)動(dòng)AD4000的簡化框圖，高阻態(tài)模式使能，消除了驅(qū)動(dòng)器級(jí)，節(jié)省了電路板空間。基于目標(biāo)帶寬選擇優(yōu)化的RC濾波器值600 Ω和25 nF，消除10 kHz以上的寬帶噪聲。AD8422的REF引腳偏置到VREF/2，并利用ADA4805進(jìn)行緩沖以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)性能。對于100 Hz和1 kHz輸入信號(hào)，在增益（通過RG設(shè)置）為1（無RG）和10 (RG = 2.2 kΩ)時(shí)，此信號(hào)鏈提供最優(yōu)SNR和THD性能。圖8和圖9顯示，當(dāng)高阻態(tài)模式使能，增益為1和10，對于100 Hz輸入信號(hào)和最高2 MSPS的每種吞吐速率，ADC實(shí)現(xiàn)了91 dB以上的SNR和–96dB以上的THD。從圖8和圖9可看出，隨著ADC吞吐速率降低，采集時(shí)間更長，有利于消除輸入反沖，因此SNR和THD性能略有提高。
圖7. 儀表放大器AD8422 (G = 1)直接驅(qū)動(dòng)AD4000精密SAR ADC的簡化框圖。
圖8. AD4000 SNR與吞吐速率的關(guān)系，AD8422配置增益為1和10，高阻態(tài)模式使能。
圖9. AD4000 THD與吞吐速率的關(guān)系，AD8422配置增益為1和10，高阻態(tài)模式使能。
結(jié)語
表1顯示了不同速度和輸入類型的AD4000系列引腳兼容、低功耗16/18/20位精密SAR ADC，這些器件集易用特性和精密性能于一體，有助于設(shè)計(jì)人員解決系統(tǒng)級(jí)技術(shù)難題。
表1. AD4000系列引腳兼容精密SAR ADC
AD4000 ADC系列的高阻態(tài)模式、低輸入電流和較長采集階段的獨(dú)特組合，簡化了驅(qū)動(dòng)要求，消除了專用高速ADC驅(qū)動(dòng)器級(jí)，有助于節(jié)省PCB面積、功耗和BOM成本，同時(shí)拓寬了ADC驅(qū)動(dòng)器選擇范圍。此外，這些特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)人員可根據(jù)目標(biāo)帶寬優(yōu)化RC濾波器值，減輕對寬帶噪聲、放大器穩(wěn)定性、ADC輸入保護(hù)和動(dòng)態(tài)功耗的擔(dān)心。本文說明了精密放大器的各種使用情形，包括儀表放大器直接驅(qū)動(dòng)該ADC系列輸入，并解釋了該系列產(chǎn)品如何有助于解決常見系統(tǒng)級(jí)問題，而不會(huì)顯著影響精密性能。
（來源： 亞德諾半導(dǎo)體）
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