引腳兼容的高輸入阻抗ADC系列簡化了驅(qū)動(dòng)范圍

Maithil Pachchigar

自動(dòng)化測試設(shè)備、機(jī)器自動(dòng)化、工業(yè)和醫(yī)療儀器等應(yīng)用需要精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便準(zhǔn)確地分析和數(shù)字化物理或模擬信息。想要通過高分辨率、精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC實(shí)現(xiàn)完整數(shù)據(jù)手冊規(guī)格的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常被迫使用專用的高功率、高速放大器來驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的開關(guān)電容SAR ADC輸入，以滿足其精密應(yīng)用的需求。這是設(shè)計(jì)精密數(shù)據(jù)采集信號鏈時(shí)遇到的常見痛點(diǎn)之一，本文介紹引腳兼容的AD4000 ADC系列，以解決這一問題。該系列16/18/20位精密SAR ADC采用ADI公司的先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)架構(gòu)設(shè)計(jì)，具有易用性特性，具有多種系統(tǒng)級優(yōu)勢，可降低信號鏈功耗和復(fù)雜性，提高通道密度，同時(shí)不影響性能。高阻態(tài)模式、降低輸入電流和長采集相位的獨(dú)特組合簡化了ADC驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)，并降低了對ADC驅(qū)動(dòng)器的建立要求。這拓寬了驅(qū)動(dòng)ADC的放大器選擇范圍，使其采用低功耗/帶寬精密放大器，包括JFET和用于直流或低頻（<10 kHz）應(yīng)用的儀表放大器。這是之前出版的《模擬對話》的后續(xù)版本1本文將介紹具有較低RC濾波器截止頻率的各種精密放大器，可直接驅(qū)動(dòng)該ADC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳性能，無需專用ADC驅(qū)動(dòng)器級，并顯著節(jié)省系統(tǒng)功耗、電路板空間和BOM成本。

驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)SAR ADC輸入

圖1顯示了用于構(gòu)建精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型信號鏈。驅(qū)動(dòng)高分辨率、高精度SAR ADC歷來是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要痛點(diǎn)之一，也是由于開關(guān)電容輸入而面臨的一個(gè)棘手問題。

圖1.典型精密數(shù)據(jù)采集信號鏈。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注ADC驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊，并查看噪聲、失真、輸入/輸出電壓裕量/裕量、帶寬和建立時(shí)間規(guī)格。通常，需要寬帶寬、低噪聲和高功率的高速ADC驅(qū)動(dòng)器，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。這大大減少了放大器驅(qū)動(dòng)ADC的選項(xiàng)，并導(dǎo)致顯著的性能/功耗/面積權(quán)衡。此外，選擇合適的RC濾波器放置在驅(qū)動(dòng)器和ADC輸入之間會(huì)對放大器的選擇和性能施加進(jìn)一步的限制。ADC驅(qū)動(dòng)器輸出和SAR ADC輸入之間需要RC濾波器來限制寬帶噪聲并降低電荷反沖的影響。通常，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要花費(fèi)大量時(shí)間來評估信號鏈，以確保所選的ADC驅(qū)動(dòng)器和RC濾波器能夠驅(qū)動(dòng)ADC實(shí)現(xiàn)所需的性能。

如圖2時(shí)序圖所示，SAR ADC吞吐量（1/周期時(shí)間）由轉(zhuǎn)換和采集階段組成，在采集階段，可以使用串行SPI接口輸出來自ADC的數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的SAR架構(gòu)中，轉(zhuǎn)換階段通常較長，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到正確的電壓。ADC驅(qū)動(dòng)器無法在可用采集時(shí)間內(nèi)建立傳統(tǒng)的SAR ADC反沖，并在較低的RC帶寬截止下進(jìn)行強(qiáng)力濾波，因此ADC失真/線性度性能會(huì)降低。

圖2.傳統(tǒng)SAR ADC的時(shí)序圖

圖3.AD4000 ADC系列的時(shí)序圖，包括輸入反沖。

更長的采集階段

AD4000 ADC系列具有290 ns的極快轉(zhuǎn)換時(shí)間，ADC在正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換過程結(jié)束前100 ns返回采集階段，從而實(shí)現(xiàn)更長的采集階段，如圖3所示。即使禁用高輸入阻抗（Z）模式，該ADC系列輸入的非線性反沖也會(huì)顯著降低，當(dāng)使能高阻態(tài)模式時(shí)，其水平幾乎可以忽略不計(jì)。這減輕了ADC驅(qū)動(dòng)器的建立時(shí)間負(fù)擔(dān)，并允許在大R下實(shí)現(xiàn)較低的RC截止，這意味著也可以容忍更高的噪聲和/或更低的功率/帶寬放大器。這允許根據(jù)目標(biāo)信號帶寬而不是開關(guān)電容輸入的建立要求來選擇ADC前面的放大器和RC濾波器。RC濾波器中可以使用較大的R值和相應(yīng)的較小C值，從而減少了放大器穩(wěn)定性問題，而不會(huì)顯著影響失真性能。較大的R值有助于保護(hù)ADC輸入免受過壓情況的影響，從而降低放大器中的動(dòng)態(tài)功耗。較長采集階段的另一個(gè)好處是，它可實(shí)現(xiàn)低SPI時(shí)鐘速率，以降低輸入/輸出功耗，拓寬處理器/FPGA的替代方案，并在不影響ADC吞吐量的情況下簡化數(shù)字隔離要求。

高阻態(tài)模式

AD4000 ADC系列集成高阻態(tài)模式，當(dāng)電容DAC在采集開始時(shí)切換回輸入端時(shí)，可降低非線性電荷反沖。啟用高阻態(tài)模式時(shí)，電容DAC在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)充電，以保持先前采樣的電壓。此過程可減少轉(zhuǎn)換過程中的任何非線性電荷效應(yīng)，影響在下一個(gè)采樣之前在ADC輸入端采集的電壓。高阻態(tài)模式的優(yōu)點(diǎn)是無需專用的高速ADC驅(qū)動(dòng)器，并擴(kuò)大了低功耗/帶寬精密放大器的選擇范圍，包括用于低頻（<10 kHz）或直流型信號的JFET和儀表放大器。

圖4顯示了使能/禁用高阻態(tài)模式時(shí)AD4003/AD4007/AD4011的輸入電流。低輸入電流使ADC比市場上的傳統(tǒng)SAR ADC更容易驅(qū)動(dòng)，即使禁用了高阻態(tài)模式也是如此。如果將圖4中禁用高阻態(tài)模式的輸入電流與上一代AD7982 ADC的輸入電流進(jìn)行比較，AD4007在4 MSPS時(shí)將輸入電流降低了1×。當(dāng)啟用高阻態(tài)模式時(shí)，輸入電流進(jìn)一步減小到亞微安范圍。

由于該ADC系列的輸入電流減小，因此能夠以比傳統(tǒng)SAR高得多的源阻抗驅(qū)動(dòng)。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.AD4003/AD4007/AD4011 ADC輸入電流與輸入差分電壓的關(guān)系，高阻態(tài)使能/禁用。

精密放大器直接驅(qū)動(dòng)AD4000 ADC系列

對于大多數(shù)系統(tǒng)，前端（而非ADC本身）通常會(huì)限制信號鏈可實(shí)現(xiàn)的整體AC/DC性能。從圖5和圖6中所選精密放大器的數(shù)據(jù)手冊中可以明顯看出，在特定輸入頻率下，其自身的噪聲和失真性能在SNR和THD規(guī)格中占主導(dǎo)地位。但是，該ADC系列具有高阻態(tài)模式，允許擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)器放大器的選擇范圍，包括信號調(diào)理級中使用的精密放大器，同時(shí)在RC濾波器選擇方面具有更大的靈活性，同時(shí)仍能為所選放大器實(shí)現(xiàn)最佳性能。

圖5和圖6顯示了使用低功耗ADA4003-4020時(shí)AD4692/AD2 ADC的SNR和THD性能靜態(tài)= 180 μA/放大器），低輸入偏置 JFET ADA4610-1 （I靜態(tài)= 1.5 mA/放大器）和零交越失真ADA4500-2 （I靜態(tài)= 1.55 mA/放大器）精密放大器，當(dāng)在具有各種RC濾波器值的高阻態(tài)使能/禁用情況下，使用1 V基準(zhǔn)電壓源以全吞吐量驅(qū)動(dòng)ADC輸入時(shí)。ADA5-4692和ADA2-4610放大器可實(shí)現(xiàn)高于1 dB的典型SNR，并啟用高阻態(tài)，可實(shí)現(xiàn)98 kHz和260 kHz的較低RC帶寬，這有助于在目標(biāo)信號帶寬較低時(shí)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(jì)人員可以選擇適當(dāng)?shù)木芊糯笃鱽眚?qū)動(dòng)ADC輸入。例如，ADA498-4692軌到軌放大器更適合便攜式功耗敏感型應(yīng)用，這些應(yīng)用可以直接驅(qū)動(dòng)該ADC系列，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)最佳性能。

啟用高阻態(tài)模式時(shí)，即使RC帶寬低于4003.4020 MHz且大R值大于10 Ω，THD在RC濾波器截止頻率為1.3 MHz時(shí)也能保持–390 dB以上，AD104/AD4 SNR至少提高42 dB。請注意，該ADC系列可以通過利用全吞吐量進(jìn)行過采樣，以在較低的RC濾波器截止頻率下實(shí)現(xiàn)更好的SNR性能。

圖5.使用精密放大器ADA4003-4020、ADA4692-2和ADA4610-1的AD4500/AD2 SNR與RC帶寬的關(guān)系，f在= 1 kHz， 參考電壓 = 5 V.

圖6.使用精密放大器ADA4003-4020、ADA4692-2和ADA4610-1的AD4500/AD2 THD與RC帶寬的關(guān)系，f在= 1 kHz， 參考電壓 = 5 V.

啟用高阻態(tài)時(shí)，AD4003/AD4020的典型功耗為2 mW/MSPS至2.5 mW/MSPS，但仍明顯低于使用ADA4807-1等專用ADC驅(qū)動(dòng)器，因此可以節(jié)省PCB面積和BOM成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用功耗較低的5.5×ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4692-2（與ADA4807相比），當(dāng)在96.2 MHz和27.4 MHz RC帶寬禁用高阻態(tài)模式時(shí)，該ADC仍能實(shí)現(xiàn)約47 dB的典型SINAD。啟用高阻態(tài)模式后，使用ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，ADC驅(qū)動(dòng)器的ADC SNR/THD性能更好，而在禁用高阻態(tài)模式時(shí)，ADC SNR/THD性能和RC濾波器截止之間需要權(quán)衡。

儀表放大器直接驅(qū)動(dòng)AD4000 ADC系列

儀表放大器具有出色的精密性能、共模抑制和高輸入阻抗，可直接與傳感器連接，但它們通常具有較低的小信號帶寬（<10 MHz）。使用SAR ADC和儀表放大器設(shè)計(jì)精密信號鏈（例如ATE、醫(yī)療設(shè)備）的客戶通常在信號饋送到ADC輸入之前使用信號調(diào)理或驅(qū)動(dòng)器級，以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和反沖建立目的。

圖7所示為AD8422在使能高阻態(tài)模式下直接驅(qū)動(dòng)AD4000的簡化框圖，無需驅(qū)動(dòng)器級并節(jié)省電路板空間。根據(jù)目標(biāo)帶寬選擇600 Ω和25 nF的優(yōu)化RC濾波器值，以消除10 kHz以上的寬帶噪聲。AD8422的REF引腳偏置至V裁判使用ADA2進(jìn)行/4805和緩沖，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的性能。該信號鏈在增益（由RG設(shè)置）為100（無RG）和1（RG = 1.10 kΩ）的2 Hz和2 kHz輸入信號提供最佳SNR和THD性能。圖8和圖9顯示，啟用高阻態(tài)時(shí)，ADC可實(shí)現(xiàn)高于91 dB的SNR和高于–96 dB的THD，增益為1和10，每個(gè)吞吐量為100 Hz，最高可達(dá)2 MSPS。如圖8和圖9所示，隨著ADC吞吐量的降低，SNR和THD略有好轉(zhuǎn)，從而提供了更長的采集時(shí)間來建立輸入反沖。

圖7.AD8422 （G = 1） 儀表放大器直接驅(qū)動(dòng)精密SAR ADC的簡化框圖。

圖8.AD4000 SNR 與吞吐量的關(guān)系，AD8422 配置為增益 = 1 和 10，使能高阻態(tài)。

圖9.AD4000 THD 與吞吐量的關(guān)系，AD8422 配置為增益 = 1 和 10，高阻態(tài)啟用。

結(jié)論

表1顯示了AD4000系列引腳兼容的低功耗16/18/20位精密SAR ADC，提供不同的速度和輸入類型，兼具易用性和精密性能，使設(shè)計(jì)人員能夠解決系統(tǒng)級技術(shù)挑戰(zhàn)。

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AD4000 ADC系列具有高阻態(tài)模式、更低的輸入電流和更長的采集階段的獨(dú)特組合，便于驅(qū)動(dòng)，并幫助設(shè)計(jì)人員省去專用的高速ADC驅(qū)動(dòng)器級，這有助于節(jié)省PCB面積、功耗和BOM成本，并拓寬ADC驅(qū)動(dòng)器的選擇范圍。此外，這些特性允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)目標(biāo)帶寬優(yōu)化RC濾波器值，從而減輕對寬帶噪聲、放大器穩(wěn)定性、ADC輸入保護(hù)和動(dòng)態(tài)功耗的擔(dān)憂。本文闡述了精密放大器的各種用例，包括直接驅(qū)動(dòng)該ADC系列輸入的儀表放大器，并闡明了該系列如何幫助解決常見的系統(tǒng)級問題，而不會(huì)顯著影響精密性能。

審核編輯：郭婷