引腳兼容的高輸入阻抗ADC系列簡化驅(qū)動并拓寬ADC驅(qū)動器選擇

第第頁引腳兼容的高輸入阻抗ADC系列簡化驅(qū)動并拓寬ADC驅(qū)動器選擇自動測試設(shè)備、機(jī)器自動化、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)手冊中列示的最高性能，常常不得不使用專用高功率、高速放大器來驅(qū)動其精密應(yīng)用中的傳統(tǒng)型開關(guān)電容SARADC輸入。這是設(shè)計精密數(shù)據(jù)采集信號鏈時遇到的常見難點(diǎn)，本文介紹的引腳兼容AD4000ADC系列可解決此問題。該系列16/18/20位精密SARADC采用ADI公司高級技術(shù)和先進(jìn)架構(gòu)設(shè)計而成，集成了多種簡單易用的特性，提供很多系統(tǒng)級優(yōu)勢，有助于降低信號鏈功耗和復(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)動挑戰(zhàn)難度和對ADC驅(qū)動器的建立要求。因此，驅(qū)動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(

圖1.典型的精密數(shù)據(jù)采集信號鏈

系統(tǒng)設(shè)計師需要密切關(guān)注ADC驅(qū)動器數(shù)據(jù)手冊，了解噪聲、失真、輸入/輸出電壓上裕量/下裕量、帶寬和建立時間等技術(shù)規(guī)格。一般地，采用的高速ADC驅(qū)動器需要具備寬帶寬、低噪聲和高功率等特征，以便在可用采集時間內(nèi)建立SARADC輸入的開關(guān)電容反沖。這項(xiàng)要求會大幅減少可用于驅(qū)動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)動器輸出與SARADC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)計師需要花費(fèi)大量時間去評估信號鏈，確保所選ADC驅(qū)動器和RC濾波器能切實(shí)驅(qū)動ADC，以實(shí)現(xiàn)所需性能。

如圖2中的時序圖所示，SARADC吞吐速率（1/周期時間）包括轉(zhuǎn)換和采集兩個階段，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)動器必須在下一個轉(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)動器無法在可用采集時間內(nèi)消除傳統(tǒng)SARADC反沖，ADC失真/線性度性能因而下降。

圖2.傳統(tǒng)SARADC時序圖

圖3.AD4000ADC系列時序圖，包括輸入反沖

較長采集階段

AD4000ADC系列的轉(zhuǎn)換時間非常短(290ns)，ADC會在當(dāng)前轉(zhuǎn)換過程結(jié)束前100ns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，非線性反沖降至幾乎可忽略不計的程度。這可以降低ADC驅(qū)動器的建立時間負(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，同時也不會大幅影響失真性能。較大的R值有助于在過壓情況下保護(hù)ADC輸入，并降低放大器的動態(tài)功耗。較長采集階段的另一個好處是它支持低SPI時鐘速率，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

AD4000ADC系列集成了一個高阻態(tài)模式，在采集開始時，該模式可以在電容DAC切換回輸入時減少非線性電荷反沖。使能高阻態(tài)模式時，電容DAC在轉(zhuǎn)換結(jié)束時充電，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)動器，可以選擇較低功率/帶寬的精密放大器，包括針對低頻(

圖4.高阻態(tài)使能/禁用條件下AD4003/AD4007/AD4011ADC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AD4000ADC系列

對于多數(shù)系統(tǒng)，前端（非ADC本身）通常會限制信號鏈可以實(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)動放大器的選擇范圍，包括信號調(diào)理級中使用的精密放大器，同時提高了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)最優(yōu)性能。

圖5和圖6顯示了AD4003/AD4020ADC的SNR和THD性能，采用低功耗ADA4692-2(IQUIESCENT=180μA/放大器)、低輸入偏置JFETADA4610-1(IQUIESCENT=1.5mA/放大器)和零交越失真ADA4500-2(IQUIESCENT=1.55mA/放大器)精密放大器，使用1kHz輸入音驅(qū)動ADC輸入，基準(zhǔn)電壓為5V，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，對于260kHz和498kHz的較低RC帶寬，ADA4692-2和ADA4610-1放大器可實(shí)現(xiàn)98dB以上的典型SNR，這有助于在目標(biāo)信號寬帶較低時，消除來自上游信號鏈組件的寬帶噪聲。根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計人員可以選擇合適的精密放大器來驅(qū)動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)動該ADC系列，同時仍能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。

在高阻態(tài)模式使能的情況下使用此類放大器時，即便RC帶寬低于1.3MHz，R值大于390Ω，AD4003/AD4020SNR也會提高至少10dB；RC濾波器截止頻率為4.42MHz時，THD保持在–104dB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/AD4020SNR與RC帶寬的關(guān)系，使用ADA4692-2、ADA4610-1和ADA4500-2精密放大器，fIN=1kHz，REF=5V

圖6.AD4003/AD4020THD與RC帶寬的關(guān)系，使用ADA4692-2、ADA4610-1和ADA4500-2精密放大器，fIN=1kHz，REF=5V

使能高阻態(tài)模式時，AD4003/AD4020通常會消耗2mW/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)動器時的功耗，而且這還能節(jié)省PCB面積和物料成本。系統(tǒng)設(shè)計師可以使用功耗低5.5倍的ADC驅(qū)動器ADA4692-2（相比ADA4807）；當(dāng)高阻態(tài)模式禁用時，對于2.27MHz和4.47MHzRC帶寬，此ADC仍能實(shí)現(xiàn)約96dB的典型SINAD。高阻態(tài)模式使能時，使用ADC驅(qū)動器驅(qū)動ADC，SNR/THD性能更好；高阻態(tài)模式禁用時，需要權(quán)衡ADCSNR/THD性能與RC濾波器截止頻率。

儀表放大器直接驅(qū)動AD4000ADC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(

圖7.儀表放大器AD8422(G=1)直接驅(qū)動AD4000精密SARADC的簡化框圖

圖8.AD4000SNR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.AD4000THD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7所示為AD8422直接驅(qū)動AD4000的簡化框圖，高阻態(tài)模式使能，消除了驅(qū)動器級，節(jié)省了電路板空間?；谀繕?biāo)帶寬選擇優(yōu)化的RC濾波器值600Ω和25nF，消除10kHz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)最佳性能。對于100Hz和1kHz輸入信號，在增益（通過RG設(shè)置）為1（無RG）和10(RG=2.2kΩ)時，此信號鏈提供最優(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100Hz輸入信號和最高2MSPS的每種吞吐速率，ADC實(shí)現(xiàn)了91dB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，采集時間更長，有利于消除輸入反沖，因此SNR和THD性能略有提高。

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SARADC，這些器件集易用特性和精密性能于一體，有助于設(shè)計人員解決系統(tǒng)級技術(shù)難題。

表1.AD4000系列引腳兼容精密SARADC

AD4000ADC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