ADI實(shí)驗(yàn)室電路:超低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) - 全文

電路功能與優(yōu)勢

圖1中的電路是超低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用了 AD7091R 12位、1 MSPS SAR ADC和 AD8031 運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)器，電路的總功耗低于5 mW，采用3 V單電源供電。

所選器件的低功耗和小封裝尺寸使得這種組合成為業(yè)界領(lǐng)先的便攜式電池供電系統(tǒng)解決方案，在這種系統(tǒng)中功耗、成本和尺寸極為關(guān)鍵。

當(dāng)VDD引腳為3 V時(shí)， AD7091R的電源電流典型值僅為350μA，遠(yuǎn)低于目前市場上的任何ADC競爭產(chǎn)品。這意味著典型功耗約為1 mW。

AD8031僅需800μA的電源電流，電源電壓為3 V時(shí)的典型功耗為2.4 mW，在10 kHz模擬輸入信號(hào)下以1 MSPS的速率進(jìn)行采樣時(shí)，系統(tǒng)總功耗低于5 mW。

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圖1. 集成驅(qū)動(dòng)器的12位、1 MSPS低功耗ADC（原理示意圖：未顯示所有連接）

電路描述

針對(duì)模擬信號(hào)，大多數(shù)SAR ADC需要合適的輸入緩沖器以獲得最佳性能。當(dāng)內(nèi)部采樣保持開關(guān)從保持切換到采樣時(shí)，緩沖器可將信號(hào)源與ADC輸入產(chǎn)生的瞬變相互隔離。驅(qū)動(dòng)ADC的緩沖器必須從該瞬變中恢復(fù)，并在ADC采集時(shí)間之內(nèi)建立至所需精度。這在信號(hào)源具有高阻抗，并且低失真和高信噪比極為關(guān)鍵的應(yīng)用中尤為重要。因此，選擇合適的緩沖器運(yùn)算放大器便成為該設(shè)計(jì)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

AD7091R是一款12位、快速、超低功耗、單電源供電ADC，集成2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。該器件可采用2.7V至5.25V電源供電。AD7091R的吞吐速率可達(dá)1MSPS。當(dāng)輸入信號(hào)為10kHz、采樣速率為1MSPS時(shí)，該器件的總功耗約為2.3 mW。

在無需1MSPS采樣頻率的應(yīng)用中，這一數(shù)字將下降，因?yàn)锳D7091R的功耗與吞吐速率成正比，如表1所示。

可通過降低轉(zhuǎn)換器的吞吐速率而進(jìn)一步降低功耗。表1顯示當(dāng)電源為3 V且器件工作在普通模式下，AD7091R的典型功耗與吞吐速率的關(guān)系。

表1表示激活關(guān)斷模式后可減少的功耗。當(dāng) AD7091R工作在較低的吞吐速率時(shí)，關(guān)斷模式對(duì)于大幅度降低電源需求極為有效。

AD7091R采用小型3 mm×2 mm、10引腳LFCSP或3 mm ×5 mm、10引腳MSOP封裝。兩款封裝與同類競爭解決方案相比，大幅度節(jié)省了空間。

AD8031是一款低功耗軌到軌輸入/輸出運(yùn)算放大器，是非常適合 AD7091R的驅(qū)動(dòng)放大器。 AD8031采用2.7V至1 V電源供電，支持通過一個(gè)供電軌驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IC。AD8031帶寬為80MHz，壓擺率為30V/μs，達(dá)到0.1%精度的建立時(shí)間為125 ns。

當(dāng)采用單電源工作時(shí)，AD8031的輸出可達(dá)負(fù)供電軌的20mV以內(nèi)。若需要0V輸入下的線性度，則AD8031需要一個(gè)額外的負(fù)電源（參考指南MT-035）。

圖1顯示了簡化電路圖。使用100 nF和10μF陶瓷電容可對(duì)IC電源引腳實(shí)現(xiàn)良好的接地去耦。將這些電容放置于盡可能靠近兩個(gè)IC的電源引腳的位置。

切記，該ADC的模擬輸入信號(hào)不能超過供電軌300 mV以上。如果信號(hào)超過此電平，內(nèi)部ESD保護(hù)二極管將呈正偏，并開始向基板內(nèi)傳導(dǎo)電流。二極管的最大導(dǎo)通電流為10 mA，該電流以下不會(huì)導(dǎo)致不可恢復(fù)的器件損壞。可通過在VIN和AD7091R的電源供電軌之間連接一對(duì)肖特基二極管達(dá)到保護(hù)的作用，如 指南MT-036中所描述。

AD7091R集成了一個(gè)內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓。針對(duì)REFIN/REFOUT引腳的良好去耦可達(dá)到指定的性能。REFIN/REFOUT電容的典型值為2.2μF。注意可通過外部加載內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。若使用了外部基準(zhǔn)電壓，則該電壓范圍必須為2.7V至VDD，并且必須連接REFIN/REFOUT引腳。調(diào)節(jié)器旁路（REGCAP）去耦電容的典型值為1μF。

施加于VDRIVE輸入的電壓控制串行接口的邏輯電平電壓。將該引腳連接至邏輯系列的電源電壓，該電源電壓與AD7091R數(shù)字輸出相連?？蓪DRIVE設(shè)為1.8 V至VDD范圍內(nèi)的值。VDRIVE去耦電容的典型值為100nF，與10μF并聯(lián)。若需忙碌指示功能，可在VDRIVE和SDO引腳之間連接一個(gè)100kΩ的上拉電阻。

用于緩沖AD7091R模擬輸入的AD8031被配置成一個(gè)單位增益緩沖器。在運(yùn)算放大器的輸出級(jí)后面連接一個(gè)單極點(diǎn)RC濾波器，以降低帶外噪聲。RC濾波器的截止頻率設(shè)為660kHz。然而，根據(jù)系統(tǒng)吞吐速率的要求，該參數(shù)可能有所不同。對(duì)于AD7091R未工作在最大吞吐速率下的系統(tǒng)，可降低濾波器的截止頻率。取決于模擬信號(hào)的輸入幅度和失調(diào)，可將AD8031運(yùn)算放大器配置成提供增益、衰減和電平轉(zhuǎn)換，以匹配ADC模擬輸入范圍的輸入信號(hào)擺幅。

表1. AD7091R在3 V、普通模式下的典型功耗與吞吐速率的關(guān)系

注意，采樣時(shí)轉(zhuǎn)換開始脈沖寬度 = 20 ns，VDD =VDRIVE = 3 V.

圖2和圖3表示電路的積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）曲線。注意INL和DNL低于±1 LSB。

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圖2. 采樣速率為1 MSPS時(shí)的INL

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圖3. 采樣速率為1 MSPS時(shí)的DNL

圖4表示針對(duì)8192個(gè)樣本計(jì)算的FFT數(shù)據(jù)；采樣速率為1MSPS，模擬輸入頻率為10 kHz。SNR為70.44 dBFS。

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圖4. 系統(tǒng)的FFT，輸入=10 kHz，采樣頻率=1 MSPS

該電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板（PCB）上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)。

根據(jù)應(yīng)用和傳感器的具體要求，可以更改AD7091R和AD8031周圍的器件值。例如，可配置緩沖器以提供增益和失調(diào)，并且RC濾波器的截止頻率可根據(jù)采樣頻率和輸入頻率而變化。

電路評(píng)估與測試

為了評(píng)估和測試 AD7091R與本電路筆記所述電路，我們開 發(fā)了評(píng)估板 EVAL-AD7091RSDZ。有關(guān)詳細(xì)的原理圖和用 戶指南，請(qǐng)參考 EVAL-AD7091RSDZ 文檔。圖5顯示測試設(shè)置的功能框圖。

設(shè)備要求

為測試該電路，需要如下設(shè)備：

EVAL-AD7091RSDZ 評(píng)估板（包括軟件和9 V直流壁式電源適配器）

EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái)電路板

一個(gè)低失真信號(hào)發(fā)生器，如Agilent 81150A或Audio Precision System Two 2322

帶USB 2.0端口的PC，運(yùn)行Windows? XP、Windows Vista或Windows 7（32位或64位）

電源：9 V直流壁式電源適配器（包括在評(píng)估板中，外部3 V / 50 mA直流電源

設(shè)置

連接任何硬件之前，確保 EVAL- AD7091RSDZ 評(píng)估板上的連接位置如下：

LK1：位置A（選擇 AD8031 作為輸入緩沖器）

LK2：位置A（輸入J5連接至輸入緩沖器）

LK5：位置A（使能外部VDRIVE 源）

LK6：位置B（使能外部 VDD 源）

之后，根據(jù)評(píng)估板文檔中所述連接硬件并安裝軟件。

測試

請(qǐng)參考評(píng)估板文檔，查看如何運(yùn)行本電路筆記中所述各種測試的完整描述。

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圖5. 測試設(shè)置功能框圖