令人驚異的動(dòng)態(tài)范圍 凌力爾特SAR ADC代碼運(yùn)用全解 - 全文

凌力爾特公司推出的101dB SNR的18位SAR ADC新系列一定令您振奮吧？為了實(shí)現(xiàn)令人驚異的動(dòng)態(tài)范圍，您需要確保最大的信號(hào)利用了該ADC的整個(gè)滿標(biāo)度范圍。換句話說，您需要運(yùn)用所有代碼。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢？

ADC的信噪比（SNR）定義為，ADC可以處理的最大信號(hào)與該ADC的本底噪聲之比。為了實(shí)現(xiàn)高達(dá)102dB的SNR，LTC2379系列規(guī)定了10Vpp的差分輸入范圍，這意味著兩個(gè)輸入中的每一個(gè)都可以在0V~5V范圍內(nèi)擺動(dòng)。

在ADC前面會(huì)有一個(gè)放大器。該放大器的作用是充當(dāng)一個(gè)良好的電壓源，以給ADC的采樣電容充電。ADC輸入是放大器輸出，因此，針對(duì)ADC輸入從0V~5V擺動(dòng)，該放大器的輸出也必須在0V~5V范圍內(nèi)擺動(dòng)。

如果有寬范圍的電源軌可用，那么事情就很容易了。例如，也許您已經(jīng)有部分前端靠±15V的電源運(yùn)行。在這種情況下，任何靠這種電源軌運(yùn)行的運(yùn)算放大器，其輸出都可以在0V~5V之間擺動(dòng)。您可以使用LT1468實(shí)現(xiàn)極好的DC精度和快速建立時(shí)間，或者使用LT1124實(shí)現(xiàn)非常低的漂移和低1/f噪聲，還可以使用LT6011實(shí)現(xiàn)封裝非常小的微功率運(yùn)算放大器。

如果您不喜歡使用±15V這種寬范圍的電源，而仍然想要在0V~5V的整個(gè)范圍內(nèi)擺動(dòng)，那么，可以僅針對(duì)最后一級(jí)放大器產(chǎn)生特殊的電源軌，例如，-2V和+7V。LT6350驅(qū)動(dòng)LTC2379-18的參考設(shè)計(jì)準(zhǔn)確地做到了這一點(diǎn)（圖1）。用+7V電源給5V基準(zhǔn)供電也很方便。

圖1：通過用+7V和-2V的電源給LT6350供電，可以為每個(gè)ADC輸入從0V~5V擺動(dòng)提供大量空間。這是DC1783A演示板上演示的缺省參考設(shè)計(jì)

不過，如果想用單一5V電源軌給放大器供電，會(huì)發(fā)生什么情況呢？您也許認(rèn)為，利用軌到軌運(yùn)算放大器就剛好有足夠的空間在0V~5V擺動(dòng)，但實(shí)際上卻并非如此。軌到軌輸出級(jí)并非是真正軌到軌的。這種輸出級(jí)充其量也只能達(dá)到與每個(gè)軌相差約10mV的電壓，而且這還是在硬限幅的情況下實(shí)現(xiàn)的，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致較慢的飽和恢復(fù)時(shí)間。如果需要良好的線性度（低失真），那么輸出電壓通常應(yīng)該與每個(gè)軌相差至少數(shù)百毫伏。例如，新的低功率差分運(yùn)放LTC6362（圖2）用單一5V電源工作。其輸出可以擺動(dòng)至與任一電源軌相差約100mV的范圍，該器件在與任一軌相差250mV以內(nèi)時(shí)，保持》110dB的線性度。如果您設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，讓感興趣的最大信號(hào)不超過這個(gè)范圍，那么您就運(yùn)用了至少90%的ADC代碼，這意味著，實(shí)現(xiàn)了與規(guī)定動(dòng)態(tài)范圍相差不超過1dB的動(dòng)態(tài)范圍。在很多情況下，這是最好的解決方案。實(shí)際上，知道放大器保證不會(huì)超過（或惡化、損害）ADC的輸入范圍會(huì)讓人安心。這自然而然起到了保護(hù)作用。

圖2：即使每個(gè)輸出擺動(dòng)到與最近的軌相差250mV以內(nèi)時(shí)，LTC6362差分運(yùn)算放大器仍然保持》110dB的線性度。這給以缺省模式運(yùn)行的LTC2397-18 ADC提供了-1dBFS的擺幅。如果以數(shù)字增益壓縮模式配置ADC，那么，為了仍然運(yùn)用該ADC的所有代碼，LTC6362的輸出僅需要8Vpp的差分?jǐn)[幅。
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LTC2379系列提供了被稱為數(shù)字增益壓縮（DGC）的創(chuàng)新功能。打開這個(gè)功能時(shí)，ADC將基準(zhǔn)電壓10%~90%的電壓擺幅視為滿標(biāo)度。以這種方式工作時(shí)，采用一個(gè)5V基準(zhǔn)，放大器輸出僅需要在0.5V~4.5V范圍內(nèi)擺動(dòng)，并且18位ADC的所有262，144個(gè)代碼仍然可以使用。您可以相應(yīng)調(diào)整前端增益，并以18位分辨率獲得滿標(biāo)度，同時(shí)，放大器僅用單一5V電源運(yùn)行。即使用上所有代碼，動(dòng)態(tài)范圍仍然會(huì)縮小一點(diǎn)，因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬電壓擺幅從10Vpp減小到了8Vpp，同時(shí)，熱噪聲仍然保持不變。就18位ADC而言，量化噪聲非常小，因此，在數(shù)字增益壓縮模式，將會(huì)損失大約2dB的SNR。就16位ADC而言，在數(shù)字增益壓縮模式僅損失1dB的SNR，因?yàn)槟鷷?huì)從相應(yīng)減小的量化噪聲中受益。

單端（或偽差分）LTC2369系列不支持?jǐn)?shù)字增益壓縮。這是有意為之的，因?yàn)榫蛦味藛螛O性信號(hào)而言，接近零的性能通常最為重要。當(dāng)信號(hào)很小時(shí)，您恰恰最重視高性能ADC的精細(xì)分辨率和低噪聲性能。就差分ADC而言，當(dāng)兩個(gè)輸入相等時(shí)，就得到了“零”。就單極性單端ADC而言，當(dāng)輸入信號(hào)為地時(shí)，便得到“零”。因此，為了實(shí)現(xiàn)這種連接，您確實(shí)需要放大器能擺動(dòng)到地。如果沒有外部負(fù)電源可用，那么LTC6360可以用來解圍。這款低噪聲、高DC精度的高速運(yùn)算放大器包括一個(gè)內(nèi)置的片上充電泵，該充電泵在芯片上產(chǎn)生一個(gè)小的負(fù)偏置電壓，給輸出級(jí)供電。采用這種方式，輸出可以完全擺動(dòng)到0V，而不會(huì)接近失真或限幅狀態(tài)。在高壓側(cè)，LTC6360的輸出可以擺動(dòng)至約4.5V。您或者可以將此定義為最大信號(hào)，并滿足在5V基準(zhǔn)的滿標(biāo)度的1dB內(nèi)，或者使用4.096V基準(zhǔn)并在滿標(biāo)度范圍內(nèi)擺動(dòng)。后一種系統(tǒng)完全靠單一5V電源工作，甚至包括基準(zhǔn)本身（圖3）。

圖3：LTC6360運(yùn)算放大器包括一個(gè)片上的超低噪聲充電泵，該充電泵允許輸出完全擺動(dòng)至0V，而不會(huì)產(chǎn)生任何失真跡象。采用這種方式，便可以開發(fā)一個(gè)完全的單電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)仍然可以向LTC2379-18偽差分ADC提供滿標(biāo)度（包括零）范圍擺動(dòng)的電壓。這個(gè)例子使用了一個(gè)4.096V基準(zhǔn)，以便LTC6655基準(zhǔn)IC也可以用5V模擬電源供電。

以上所有內(nèi)容均探討了驅(qū)動(dòng)ADC的運(yùn)算放大器的輸出擺幅。下面，我們應(yīng)該把注意力轉(zhuǎn)移到輸入擺幅的限制上了。

有時(shí)，您想讓最后一級(jí)運(yùn)算放大器做的事情，就是緩沖信號(hào)并輸入到ADC，而不提供任何增益或電平移動(dòng)。就一個(gè)配置為單位增益的運(yùn)算放大器而言，輸入擺幅與輸出相同。這里的問題仍然是，如果您有范圍很寬的電源軌可用（例如，±15V或-2V~+7V），那將不存在任何問題。但是，如果您想用單一5V電源使運(yùn)算放大器工作，那么有可能產(chǎn)生一種想法，即認(rèn)為所需做的所有工作是，在很多軌到軌輸入運(yùn)算放大器中選出一個(gè)，然后一切都將正常工作。不過，軌到軌輸入級(jí)實(shí)際上是由兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)組成的：一個(gè)在輸入接近正軌時(shí)工作；另一個(gè)在輸入接近負(fù)軌（或地）時(shí)工作。這兩個(gè)輸入級(jí)每個(gè)都有自己的失調(diào)電壓。當(dāng)信號(hào)從一個(gè)輸入級(jí)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)輸入級(jí)時(shí)，在“切換”點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)電壓階躍。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳遞函數(shù)的非線性。您需要查看運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表，以弄清在兩種狀態(tài)下，是否都對(duì)失調(diào)進(jìn)行了微調(diào)。如果沒有進(jìn)行微調(diào)，那么非線性就可能對(duì)16位或18位INL性能有很大的不利影響。在另一方面，LTC6360在整個(gè)輸入工作范圍內(nèi)對(duì)失調(diào)進(jìn)行了嚴(yán)格的調(diào)整。結(jié)果，即使信號(hào)在0V~4V范圍內(nèi)擺動(dòng)時(shí)，諧波失真仍然能保持低于-100dB。這個(gè)范圍涵蓋了切換點(diǎn)，就這款運(yùn)算放大器而言，切換點(diǎn)電壓約為3.6V。

另一種降低運(yùn)算放大器輸入擺幅要求的方法是，采用反相配置的放大器。例如，如圖4所示，LT6350的每一個(gè)運(yùn)算放大器都配置為反相，以便運(yùn)算放大器輸入的DC電壓保持在電源電壓范圍中間的某個(gè)部位。這樣，輸入共模沒有任何問題。諸如LTC6362的差分運(yùn)算放大器本身就總是反相的。當(dāng)用于如圖所示的單端到差分轉(zhuǎn)換時(shí)，運(yùn)算放大器輸入確實(shí)有擺動(dòng)，但擺幅遠(yuǎn)小于信號(hào)本身的幅度。請(qǐng)注意，在每一個(gè)反相配置中，電路的輸入阻抗都是電阻性的，因此必須確保前面的電路能驅(qū)動(dòng)這個(gè)電阻。

圖4：通過以反相模式配置LT6350的第一個(gè)運(yùn)算放大器，即使給這個(gè)電路加上一個(gè)±10V的信號(hào)，該IC的輸入電壓也沒有變化。LTC2379-18的數(shù)字增益壓縮將運(yùn)放輸出的0.5V~4.5V擺幅轉(zhuǎn)換為滿標(biāo)度，從而即使僅用單一電源供電，也可以提供所有代碼。

總之，凌力爾特提供了全線的放大器解決方案，以使所需信號(hào)進(jìn)入最高性能的16位和18位ADC.