【導讀】自動(dòng)測試設備、機器自動(dòng)化、工業(yè)和醫療儀器儀表等應用需要精密數據采集系統，以便準確分析并數字化物理或模擬信息。系統設計師為了實(shí)現高分辨率精密逐次逼近型(SAR) ADC數據手冊中列示的較高性能，常常不得不使用專(zhuān)用高功率、高速放大器來(lái)驅動(dòng)其精密應用中的傳統型開(kāi)關(guān)電容SAR ADC輸入。

這是設計精密數據采集信號鏈時(shí)遇到的常見(jiàn)難點(diǎn)，本文介紹的引腳兼容AD4000 ADC系列可解決此問(wèn)題。該系列16/18/20位精密SAR ADC采用ADI高級技術(shù)和先進(jìn)架構設計而成，集成了多種簡(jiǎn)單易用的特性，提供很多系統級優(yōu)勢，有助于降低信號鏈功耗和復雜性，提高通道密度，而性能并無(wú)明顯下降。高阻態(tài)模式、低輸入電流和長(cháng)采集階段的獨特結合，降低了ADC驅動(dòng)挑戰難度和對ADC驅動(dòng)器的建立要求。因此，驅動(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，它們能直接驅動(dòng)該ADC，同時(shí)實(shí)現較優(yōu)性能，而且無(wú)需專(zhuān)用ADC驅動(dòng)器級，大幅減少系統功耗、電路板面積和BOM成本。

驅動(dòng)傳統SAR ADC輸入

圖1顯示了構建精密數據采集系統時(shí)使用的典型信號鏈。受開(kāi)關(guān)電容輸入結構影響，高分辨率精密SAR ADC的驅動(dòng)一直是系統設計人員的主要痛點(diǎn)和棘手問(wèn)題。

圖1. 典型的精密數據采集信號鏈。

系統設計師需要密切關(guān)注ADC驅動(dòng)器數據手冊，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)規格。一般地，采用的高速ADC驅動(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)間內建立SAR ADC輸入的開(kāi)關(guān)電容反沖。這項要求會(huì )大幅減少可用于驅動(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濾波器置于驅動(dòng)器與ADC輸入之間，這項要求又對放大器選擇和性能構成了進(jìn)一步的限制。ADC驅動(dòng)器輸出與SAR ADC輸入之間需要用RC濾波器來(lái)限制寬帶噪聲，減少電荷反沖的影響。一般情況下，系統設計師需要花費大量時(shí)間去評估信號鏈，確保所選ADC驅動(dòng)器和RC濾波器能切實(shí)驅動(dòng)ADC，以實(shí)現所需性能。

如圖2中的時(shí)序圖所示，SAR ADC吞吐速率（1/周期時(shí)間）包括轉換和采集兩個(gè)階段，ADC產(chǎn)生的數據可利用串行SPI接口在采集階段輸出。在傳統SAR架構中，轉換階段通常較長(cháng)而采集階段較短。在轉換階段，ADC電容DAC與ADC輸入斷開(kāi)，以執行SAR轉換。輸入在采集階段重新連接，ADC驅動(dòng)器必須在下一個(gè)轉換階段開(kāi)始之前將非線(xiàn)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驅動(dòng)器無(wú)法在可用采集時(shí)間內消除傳統SAR ADC反沖，ADC失真/線(xiàn)性度性能因而下降。

圖2. 傳統SAR ADC時(shí)序圖

圖3. AD4000 ADC系列時(shí)序圖，包括輸入反沖。

較長(cháng)采集階段

AD4000 ADC系列的轉換時(shí)間非常短(290 ns)，ADC會(huì )在當前轉換過(guò)程結束前100 ns返回采集階段，因而采集階段較長(cháng)，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(xiàn)性反沖也顯著(zhù)降低；當高阻態(tài)模式使能時(shí)，非線(xiàn)性反沖降至幾乎可忽略不計的程度。這可以降低ADC驅動(dòng)器的建立時(shí)間負擔，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。這樣便可基于目標信號帶寬，而非基于開(kāi)關(guān)電容輸入的建立要求來(lái)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C值，減少放大器穩定性問(wèn)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(guò)壓情況下保護ADC輸入，并降低放大器的動(dòng)態(tài)功耗。較長(cháng)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(jiǎn)化數字隔離要求，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(kāi)始時(shí)，該模式可以在電容DAC切換回輸入時(shí)減少非線(xiàn)性電荷反沖。使能高阻態(tài)模式時(shí)，電容DAC在轉換結束時(shí)充電，以保持上次采樣的電壓。這一過(guò)程可以減少轉換過(guò)程的任何非線(xiàn)性電荷效應，該效應會(huì )影響到下次采樣前在A(yíng)DC輸入端采集的電壓。高阻態(tài)模式的好處是無(wú)需專(zhuān)用高速ADC驅動(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(chǎng)上現有的傳統SAR ADC更易驅動(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。

此ADC系列較低的輸入電流，使得我們能以比傳統SAR高得多的源阻抗來(lái)驅動(dòng)它。這意味著(zhù)，RC濾波器中的電阻值可以比傳統SAR設計大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。

精密放大器直接驅動(dòng)AD4000 ADC系列

對于多數系統，前端（非ADC本身）通常會(huì )限制信號鏈可以實(shí)現的整體交流/直流性能。從圖5和圖6所選的精密放大器數據手冊中可以看出，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規格。然而，這種帶高阻態(tài)模式的ADC系列極大地拓寬了驅動(dòng)放大器的選擇范圍，包括信號調理級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輸入音驅動(dòng)ADC輸入，基準電壓為5 V，以最高吞吐速率運行，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98 dB以上的典型SNR，這有助于在目標信號寬帶較低時(shí)，消除來(lái)自上游信號鏈組件的寬帶噪聲。根據應用要求，設計人員可以選擇合適的精密放大器來(lái)驅動(dòng)ADC輸入。例如，ADA4692-2軌到軌放大器更適合便攜式、功耗敏感型應用，能夠直接驅動(dòng)該ADC系列，同時(shí)仍能實(shí)現較優(yōu)性能。

在高阻態(tài)模式使能的情況下使用此類(lèi)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(lái)進(jìn)行過(guò)采樣，從而以較低RC濾波器截止頻率實(shí)現更好的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(zhù)低于使用 ADA4807-1之類(lèi)專(zhuān)用ADC驅動(dòng)器時(shí)的功耗，而且這還能節省PCB面積和物料成本。系統設計師可以使用功耗低5.5倍的ADC驅動(dòng)器ADA4692-2（相比ADA4807）；當高阻態(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)現約96 dB的典型SINAD。高阻態(tài)模式使能時(shí)，使用ADC驅動(dòng)器驅動(dòng)ADC，SNR/THD性能更好；高阻態(tài)模式禁用時(shí)，需要權衡ADC SNR/THD性能與RC濾波器截止頻率。

儀表放大器直接驅動(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，但小信號帶寬一般較低(<10 MHz)。利用SAR ADC和儀表放大器設計精密信號鏈（如ATE和醫療設備）的客戶(hù)，在將信號送至ADC輸入端之前，通常會(huì )使用信號調理或驅動(dòng)器級，以便轉換電平和消除反沖。

圖7所示為AD8422 直接驅動(dòng)AD4000的簡(jiǎn)化框圖，高阻態(tài)模式使能，消除了驅動(dòng)器級，節省了電路板空間?；谀繕藥掃x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)現優(yōu)質(zhì)性能。對于100 Hz和1 kHz輸入信號，在增益（通過(guò)RG設置）為1（無(wú)RG）和10 (RG = 2.2 kΩ)時(shí)，此信號鏈提供最優(yōu)SNR和THD性能。圖8和圖9顯示，當高阻態(tài)模式使能，增益為1和10，對于100 Hz輸入信號和最高2 MSPS的每種吞吐速率，ADC實(shí)現了91 dB以上的SNR和–96dB以上的THD。從圖8和圖9可看出，隨著(zhù)ADC吞吐速率降低，采集時(shí)間更長(cháng)，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)直接驅動(dòng)AD4000精密SAR ADC的簡(jiǎn)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。

結語(yǔ)

表1顯示了不同速度和輸入類(lèi)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，有助于設計人員解決系統級技術(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(cháng)采集階段的獨特組合，簡(jiǎn)化了驅動(dòng)要求，消除了專(zhuān)用高速ADC驅動(dòng)器級，有助于節省PCB面積、功耗和BOM成本，同時(shí)拓寬了ADC驅動(dòng)器選擇范圍。此外，這些特點(diǎn)使得設計人員可根據目標帶寬優(yōu)化RC濾波器值，減輕對寬帶噪聲、放大器穩定性、ADC輸入保護和動(dòng)態(tài)功耗的擔心。本文說(shuō)明了精密放大器的各種使用情形，包括儀表放大器直接驅動(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(jiàn)系統級問(wèn)題，而不會(huì )顯著(zhù)影響精密性能。

（來(lái)源： 亞德諾半導體）

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