超低功耗16位IMSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器 - 全文

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　　TI推出的兩款模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ADS8329和ADS8330向世人展現(xiàn)了一個低功耗、高速和高性能的獨特組合。該組合使其成為諸多應用的理想選擇，例如：通信、醫(yī)療儀器、自動測試設備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或工業(yè)過程控制等。本文就上述兩款轉(zhuǎn)換器的有關(guān)性能進行概述，并對有助于實現(xiàn)這些性能的關(guān)鍵要素作了闡述。

　　ADS8329和ADS8330屬于同一個器件系列，他們是500kSPS ADS8327和ADS8328的升級延伸。所有產(chǎn)品均為引腳兼容，并提供了一個基于逐次逼近架構(gòu)(SAR)的ADC。ADS8327和ADS8329均為單通道器件，而ADS8328和ADS8330為雙通道器件。一個內(nèi)部時鐘用于對轉(zhuǎn)換計時，但是也可以對該轉(zhuǎn)換器進行編程，以利用串行接口的外部時鐘。編程和數(shù)據(jù)傳送均通過一個高速串行接口來完成。

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　　圖1 ADS8329/30結(jié)構(gòu)圖

　　如果轉(zhuǎn)換正在使用內(nèi)部時鐘，那么外部時鐘就應該被關(guān)閉。非同步時鐘信號通常會引起基板失真，從而得到兩種選項。如果ADC以內(nèi)部時鐘運行，那么就應該在轉(zhuǎn)換之后讀取數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)傳送完成以前，不應觸發(fā)新的轉(zhuǎn)換。如果該部件通過外部時鐘運行，那么就可以在下一轉(zhuǎn)換期間讀取數(shù)據(jù)。外部時鐘以兩倍的轉(zhuǎn)換速度運行，以確保數(shù)據(jù)傳送在運行轉(zhuǎn)換復寫(overwrite)輸出數(shù)據(jù)以前完成。

　　通過串行接口編程可實現(xiàn)多種額外的功能。一種是雙通道產(chǎn)品的通道選擇。這樣，就可擁有一個自動觸發(fā)器，其在前一個轉(zhuǎn)換完成以后自動將轉(zhuǎn)換起始信號 (CONVST) 初始化為4個轉(zhuǎn)換時鐘周期。利用鏈模式，數(shù)個同步采樣ADC的數(shù)據(jù)可以通過一個串行接口讀取。您可以在產(chǎn)品說明書中查看到其他的特性。

　　該轉(zhuǎn)換器系列專門優(yōu)化用以實現(xiàn)低功耗，以便具有多種功耗降低特性。在慢內(nèi)部信號保持上電而快速(300ns)恢復模塊被關(guān)閉的情況下，得以實施一個NAP模式。我們可以將2.7V電源電壓的電流消耗從 5mA 降低至0.25mA，將5V電源電壓的電流消耗從7mA降低至0.3mA?？梢酝ㄟ^串行接口或觸發(fā)CONVST信號來喚醒ADC。在正常運行狀態(tài)下，CONVST信號將會立即凍結(jié)輸入電壓，并開始轉(zhuǎn)換。在NAP模式下，ADC首先醒來，同時數(shù)據(jù)在6個時鐘周期以后自動被凍結(jié)。

　　為了最小化開銷，可將轉(zhuǎn)換器置于一種AUTONAP模式。在該模式下，一旦轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換器就會自動地降低其電流消耗。因此，CONVST信號可以被用于喚醒ADC，并開始轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換完成以后，ADC將再次降低其功耗。

　　如果ADC長期保持非使用狀態(tài)，那么深度睡眠(PD)功能應該被用于充分降低ADC功耗。剩余的漏電流通常為4nA。圖2和圖3顯示了NAP和PD運行中電流消耗與采樣速率的關(guān)系。由于存在更長的喚醒時間，因此，深度睡眠運行模式應該只在低采樣速率條件下才使用。對于100kSPS以上的采樣速率而言，NAP功能更為有效。

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　　圖2 在NAP模式下，電流消耗與采樣速率的關(guān)系

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　　圖3 在PD模式下，電流消耗與采樣速率的關(guān)系

　　就節(jié)能而言，我們建議關(guān)閉ADC的外部時鐘。否則，電流消耗可能會保持在1mA以上。ADS8329/30不同于一些有競爭力的產(chǎn)品，因為其可以被用于較寬的電源電壓范圍。在2.7V到5V的范圍內(nèi)可以選擇模擬電源電壓，而數(shù)字接口則可以始終在低至1.65V的電壓下工作。

　　ADS8329/30的設計不僅是為了實現(xiàn)低功耗，還為了實現(xiàn)高性能。一個內(nèi)部動態(tài)誤差允許對較小調(diào)整進行校正，以及轉(zhuǎn)換期間的散熱效果，同時在轉(zhuǎn)換結(jié)束時對其進行校正。該功能以及封裝內(nèi)的微調(diào)功能使差分線性度保持在±0.5LSB的范圍內(nèi)。緊密的差分線性度還有助于達到一個較好的積分線性。圖 4和圖 5 顯示了這種典型的線性度。

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　　圖4 LSB中差分非線性與1MSPS輸出代碼的關(guān)系

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　　圖5 LSB中積分非線性與1MSPS輸出代碼的關(guān)系

　　當功耗受到限制時，噪聲優(yōu)化就變得困難了。在ADS8329/30上，通過將參考緩沖器移出ADC，可以實現(xiàn)低噪聲。這就要求一個外部電容器能夠?qū)τ葾DC電容器陣列引起的參考突波進行補償。如果這種電容器高至216+1，那么在一個轉(zhuǎn)換期間該電容器的壓降會保持在LSB的一半以下。對于ADS8329而言，推薦使用22μF陶瓷電容器，以其0805尺寸和X5R質(zhì)量，現(xiàn)在開始供貨。參考電壓應該具有一個良好的負載抑制，以便轉(zhuǎn)換器輸入的平均電流不會引起參考輸入壓降(該壓降超過了LSB的一半)。

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　　圖 6 DC 輸入電壓下 4096 代碼的代碼分布

　　除該參考電壓以外，內(nèi)部電容器也是一個主要的噪聲源。動態(tài)誤差校正允許較小的內(nèi)部調(diào)整誤差。這樣，就可以減少比較器帶寬。這兩個因素均限制了噪聲，因此就實現(xiàn)了一個DC輸入電壓的緊密噪聲分布(如圖6所示)。共計4096個采樣中的4087個采樣僅分布在2個代碼上面。

　　市場上有少數(shù)產(chǎn)品表現(xiàn)出更為緊密的噪聲分布，但是這些產(chǎn)品擁有全對稱、全差動輸入信號，其要求具有一個復雜的輸入結(jié)構(gòu)。ADS8329/30提供了簡單的單端輸入范圍，因此能夠使用成本更低的CMOS放大器，例如：OPA365。

　　良好的線性和噪聲性能還體現(xiàn)在ADS8329/30的AC性能上(能實現(xiàn)高達93dB的SNR)。這種差分非線性將影響SNR，同時積分非線性會引起諧波。圖7顯示了一個10kHz輸入頻率和4096采樣的FFT，同時還證實具有低諧波失真。更高頻率時，總諧波失真(THD)取決于非線性輸入開關(guān)和內(nèi)部電容器。

　　這些非線性組件將會使THD迅速降低。在圖8中，這種變化得到了監(jiān)控。但是，相比一些頗具競爭力的產(chǎn)品，該下降趨勢不那么劇烈。在其內(nèi)部，使用了一種非常特殊的開關(guān)結(jié)構(gòu)，以便使這些非線性開關(guān)位于一個低阻抗工作點上。這就大大降低了開關(guān)的影響。

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　　圖 7 顯示一個10kHz輸入信號的4096采樣 FFT

　　單通道ADS8329和雙通道ADS8330既不是市場上最快的SAR轉(zhuǎn)換器也沒有提供最低的噪聲性能，但是它們是一種非常獨特的最低功耗、高速、低噪聲和良好線性度的組合。這就使它們特別適合于那些重視低功耗和高性能的各種應用，例如：手持終端設備或多通道同步采樣應用等。

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　　圖 8 總諧波失真與輸入頻率的關(guān)系