在16位、100kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低功耗和高性能

電路功能與優(yōu)勢(shì)

大多數(shù)系統(tǒng)中，需要在性能與低功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。本電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是考察部分權(quán)衡因素，同時(shí)在16位、100 kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)低功耗（8 mW，典型值）和高性能。

本電路使用 AD7988-1低功耗（350 μA） PulSAR?模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），該器件直接從ADA4841-1 高性能、低電壓、低功耗運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)。選擇該放大器是因?yàn)樗哂袠O佳的動(dòng)態(tài)性能，可采用單電源電壓供電且提供軌到軌輸出。此外，輸入共模電壓范圍包括負(fù)供電軌。

AD7988-1 ADC需要2.4 V至5.1 V間的外部基準(zhǔn)電壓。本應(yīng)用中，選擇的基準(zhǔn)電壓是ADR4525 精密2.5 V基準(zhǔn)電壓源。

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圖1. 基本單端、低電壓、低功耗、16位、100 kSPS ADC解決方案

電路描述

本電路的核心是 AD7988-1 16位、100 kSPS逐次逼近型ADC，采用VDD單電源供電。它內(nèi)置一個(gè)低功耗、高速、16位采樣ADC和一個(gè)多功能串行端口接口（SPI）。在CNV上升沿，該器件對(duì)IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進(jìn)行采樣，范圍從0 V至REF?；鶞?zhǔn)電壓（REF）由外部提供，并且可以獨(dú)立于電源電壓（VDD）。

在為本電路筆記執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)中， AD7988-1 評(píng)估板與系統(tǒng)演示平臺(tái)（SDP， EVAL-SDP-CB1Z）接口，ADC SPI兼容串行接口則連接到DSP SPORT接口。ADC SPI接口能夠?qū)讉€(gè)ADC以菊花鏈形式連結(jié)到單三線式總線上。采用獨(dú)立VIO電源引腳時(shí)，它與1.8 V、2.5 V、3 V或5 V邏輯兼容。

AD7988-1 采用10引腳MSOP或10引腳QFN （LFCSP）封裝。為方便起見(jiàn)，該電路板采用MSOP封裝。

ADC輸入從 ADA4841-1單位增益穩(wěn)定、低噪聲和低失真、軌到軌輸出放大器進(jìn)行緩沖和驅(qū)動(dòng)，該器件通常在1.1 mA的靜態(tài)電流下工作。此放大器提供2.1 nV/√Hz的低寬帶電壓噪聲和1.4 pA/√Hz的電流噪聲，100 kHz時(shí)具有極佳的?105 dBc無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。為了在更低頻率下保持低噪聲環(huán)境，10 Hz時(shí)放大器具有7 nV/√Hz和13 pA/√Hz的低1/f噪聲。

使 ADA4841-1非常適合單電源應(yīng)用的主要特性是，它在該應(yīng)用中可以采用單供電軌供電，同時(shí)將可負(fù)供電軌接地。放大器輸出擺幅可以達(dá)到地電平的50 mV范圍內(nèi)，這是本應(yīng)用可接受的值。請(qǐng)注意，輸入共模電壓范圍從負(fù)供電軌擴(kuò)展至正供電軌的1 V范圍內(nèi)。為容納目標(biāo)信號(hào)范圍（0 V至2.5 V），必須提供1 V裕量；因此本電路中使用4 V供電軌。ADA4841-1 采用6引腳SOT-23或8引腳SOIC封裝。

本應(yīng)用中使用的2.5 V基準(zhǔn)電壓源是 ADR4525 ，屬于 ADR45xx 基準(zhǔn)電壓源系列，可以提供高精度、低功耗、低噪聲，且具有±0.01%初始精度、極佳的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。 ADR4525 的低熱致輸出電壓遲滯和低長(zhǎng)期輸出電壓漂移提高了系統(tǒng)性能。700 μA的最大工作電流和500 mV的低壓差（最大值）使該器件最適合便攜式設(shè)備。

用于本電路中的三個(gè)產(chǎn)品的額定工作溫度范圍均為?40°C至+125°C全工業(yè)溫度范圍。

性能預(yù)期

由于功耗在本應(yīng)用中是關(guān)鍵，有必要分析每個(gè)元件的貢獻(xiàn)，以確保在眾多可用產(chǎn)品中選擇適當(dāng)?shù)钠骷?。第一步是查看三個(gè)選定器件的不同電源電流。

表1中顯示了為每個(gè)貢獻(xiàn)元件計(jì)算和測(cè)得的典型電源電流。ADC數(shù)字接口的VIO電源可以忽略不計(jì)，因此不包括在內(nèi)。測(cè)得電流與計(jì)算值的比較非常有利；無(wú)源元件可能引起小差異，使電源電流略不同于典型數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。

表1. 計(jì)算和測(cè)得的電源電流貢獻(xiàn)

使用低值基準(zhǔn)電壓時(shí)， AD7988-1 ADC的交流性能會(huì)有所下降。圖2中顯示了這一性能下降，其中信噪比、信納比（SINAD）和有效位數(shù)（ENOB）均顯示為基準(zhǔn)電壓的函數(shù)。請(qǐng)注意，對(duì)于2.5 V基準(zhǔn)電壓，預(yù)計(jì)SNR性能約為86 dB至87 dB。

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圖2. AD7988-1 ADC SNR、SINAD和ENOB與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系

電路測(cè)量結(jié)果如圖3所示。86.17 dB的SNR性能與2.5 V基準(zhǔn)電壓的預(yù)計(jì)效果相當(dāng)，如上文圖2所示。

圖3. 在10 kHz輸入音下測(cè)得的100 kSPS采樣速率的交流性能，SNR = 86.17 dB

常見(jiàn)變化

PulSAR?系列的其它引腳兼容16位ADC提供更高的采樣速率： AD7988-5 （500 kSPS）、AD7980 （1 MSPS）和 AD7983 （1.33 MSPS）。請(qǐng)注意，采樣速率越高，功耗越高?；蛘?，如果需要更高的分辨率，合適的引腳兼容器件有 AD7691 （18位，250 kSPS）、AD7690 （18-bit， 400 kSPS）， AD7982 （18位，1 MSPS差分輸入）、 AD7984 （18位，1.33 MSPS）。

對(duì)于更高的輸入電壓范圍，請(qǐng)為基準(zhǔn)電壓源和ADC驅(qū)動(dòng)器選擇更高的基準(zhǔn)電壓和更高的電壓供電軌。

圖4中顯示了 AD7988-5 （16位，500 kSPS）ADC在相似條件下的動(dòng)態(tài)性能；不過(guò)采樣速率為500 kSPS。SNR等于86.37dB。

使用500 kSPS AD7988-5 ADC在10 kHz輸入音下測(cè)得的500 kSPS采樣速率的交流性能，SNR = 86.37 dB