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

電路功能與優(yōu)勢

大多數(shù)系統(tǒng)中，需要在性能與低功耗之間進行權(quán)衡。本電路設(shè)計的重點是考察部分權(quán)衡因素，同時在16位、100 kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(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、低功耗運算放大器驅(qū)動。選擇該放大器是因為它具有極佳的動態(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供電軌。

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

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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)置一個低功耗、高速、16位采樣ADC和一個多功能串行端口接口（SPI）。在CNV上升沿，該器件對IN+與IN-之間的模擬輸入電壓差進行采樣，范圍從0 V至REF?；鶞孰妷海≧EF）由外部提供，并且可以獨立于電源電壓（VDD）。

在為本電路筆記執(zhí)行的實驗中， AD7988-1 評估板與系統(tǒng)演示平臺（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€ADC以菊花鏈形式連結(jié)到單三線式總線上。采用獨立VIO電源引腳時，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，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行緩沖和驅(qū)動，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時具有極佳的?105 dBc無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。為了在更低頻率下保持低噪聲環(huán)境，10 Hz時放大器具有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，同時將可負供電軌接地。放大器輸出擺幅可以達到地電平的50 mV范圍內(nèi)，這是本應(yīng)用可接受的值。請注意，輸入共模電壓范圍從負供電軌擴展至正供電軌的1 V范圍內(nèi)。為容納目標信號范圍（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基準電壓源是 ADR4525 ，屬于 ADR45xx 基準電壓源系列，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，有必要分析每個元件的貢獻，以確保在眾多可用產(chǎn)品中選擇適當(dāng)?shù)钠骷５谝徊绞遣榭慈齻€選定器件的不同電源電流。

表1中顯示了為每個貢獻元件計算和測得的典型電源電流。ADC數(shù)字接口的VIO電源可以忽略不計，因此不包括在內(nèi)。測得電流與計算值的比較非常有利；無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)手冊規(guī)格。

表1. 計算和測得的電源電流貢獻

使用低值基準電壓時， AD7988-1 ADC的交流性能會有所下降。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）均顯示為基準電壓的函數(shù)。請注意，對于2.5 V基準電壓，預(yù)計SNR性能約為86 dB至87 dB。

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

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

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

常見變化

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）。

對于更高的輸入電壓范圍，請為基準電壓源和ADC驅(qū)動器選擇更高的基準電壓和更高的電壓供電軌。

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

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

添加輸入共模電壓偏置放大器

在交流耦合應(yīng)用中，輸入信號必須偏置，以便使其位于ADC輸入范圍（2.5 V基準電壓為0 V至2.5 V）的中心。圖5所示電路解決了此共模信號要求。

許多放大器在此應(yīng)用中可用于緩沖目的。 AD8031 是一款單電源電壓反饋型放大器，具有高速性能，小信號帶寬為80 MHz，壓擺率為30 V/μs，建立時間為125 ns。該放大器為帶容性負載的單位增益穩(wěn)定型放大器，采用3.3 V單電源時功耗低于2.5 mW。 AD8031采用5引腳SOT-23、8引腳SOIC、8引腳PDIP和8引腳MSOP封裝。在此電路中，AD8031 用于緩沖到達分壓器的2.5 V基準電壓，該分壓器為 ADA4841-1的輸入提供所需的1.25 V共模電壓。表2中顯示了緩沖器使用的額外功率。

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圖5. 增強型電路，包括共模緩沖器，用于在交流耦合應(yīng)用中確定輸入電壓范圍的中心

表2. 計算的電源電流貢獻，包括VCM緩沖器（ AD8031）

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圖6. 增強型電路，包括共模和基準電壓緩沖器

添加基準電壓緩沖器

在不同電路共享基準電壓源的應(yīng)用中，可能需要緩沖基準電壓以確保最佳性能。本實例中，使用 AD8032 （ AD8031 的雙通道版本）非常有效，如圖6所示。如果緩沖ADC基準輸入，去耦值可降低至盡可能靠近該器件的10 μF陶瓷芯片電容。

圖7和圖8分別顯示了 AD7988-1 和 AD7988-5的性能，同時使用 AD8032 放大器建立VCM電平并緩沖基準電壓，如圖6所示。此電路實施于 EVAL-CN0255-SDPZ 評估板上。

Figure 8. AC Performance Measured with 10 kHz Input Tone for Similar Configuration Using 500 kSPS， AD7988-5

CIRCUIT EVALUATION AND TEST

Equipment Needed （Equivalents Can Be Substituted）

EVAL-CN0255-SDPZ

System Demonstration Board （ EVAL-SDP-CB1Z）

Function generator/signal source， such as Audio Precision SYS-2522 used in these tests.

Power supply， 2.5 V and 4 V

PC with USB port， USB cable， and installed 10-lead PulSAR software

Setup and Test

The block diagram of the ac performance measurement setup is shown in Figure 9. Connect the 2.5 V and 4 V power supply to the evaluation board power terminal.

To measure the frequency response， connect the equipment as shown in Figure 9. Set the Audio Precision SYS-2522 signal generator for a 10 kHz frequency and a 2.5 V p-p sine wave with a 1.25 V dc offset. Record the data using the evaluation board software.

The software analysis is part of the evaluation board software that allows the user to capture and analyze ac and dc performance.

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Figure 9. Circuit Test Setup for Measuring AC Performance