集成低功耗輸入驅(qū)動(dòng)器和基準(zhǔn)電壓源的16位6 MSPS SAR ADC系統(tǒng)

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1中的電路采用16位、6 MSPS逐次逼近型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和差分至差分驅(qū)動(dòng)器組合，針對(duì)低功耗下的低噪聲（信噪比［SNR］ = 88.6 dB）和低失真（總諧波失真［THD］=?110 dBc）進(jìn)行了優(yōu)化。該電路非常適合于高性能多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如便攜式數(shù)字X射線系統(tǒng)和安保掃描儀，因?yàn)镾AR架構(gòu)在進(jìn)行采樣時(shí)不會(huì)發(fā)生采用流水線式ADC通常會(huì)出現(xiàn)的延遲或流水線延遲。6 MSPS的采樣速率可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的快速采樣，該ADC具有真正的16位直流線性度性能和串行低壓差分信號(hào)（LVDS）接口，以實(shí)現(xiàn)低引腳數(shù)和低數(shù)字噪聲。

圖1. 驅(qū)動(dòng)ADA4897-1（未顯示全部連接和去耦）

驅(qū)動(dòng)器使用兩個(gè)低噪聲 （1 nV/√Hz） ADA4897-1 運(yùn)算放大器，可在低功率水平下（每放大器3 mA）保持 AD7625 ADC的動(dòng)態(tài)性能。 ADA4897-1 具有45ns的0.1%快速建立時(shí)間，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用。

這種組合可在很小的電路板空間中，以低功耗提供業(yè)界領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)性能， AD7625 采用5 mm × 5 mm、32引腳LFCSP封裝； ADA4897-1 采用8引腳SOIC封裝； AD8031 采用5引腳SOT-23封裝。

電路描述

ADA4897-1具有低失真（1 MHz頻率下的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍［SFDR］ 為?93 dB）、0.1%快速建立時(shí)間（36 ns）和高帶寬（230 MHz，?3 dB，G = 1）。兩個(gè) ADA4897-1驅(qū)動(dòng)器的增益均配置為1。單極點(diǎn)2.95 MHz低通RC濾波器使用20Ω電阻和2.7 nF電容，放置在每個(gè)驅(qū)動(dòng)器和ADC之間。該濾波器在 AD7625 的輸入端限制運(yùn)算放大器的輸出噪聲，并且提供一些帶外諧波衰減。

通過(guò)使用配置為單位增益緩沖器的 AD8031 來(lái)緩沖 AD7625的VCM輸出電壓（標(biāo)稱值為2.048 V），設(shè)置ADA4897-1 輸出端的共模電壓。共模偏置電壓通過(guò)590Ω串聯(lián)電阻施加于輸入端。 AD8031非常適合驅(qū)動(dòng)共模電壓，因?yàn)樗哂械洼敵鲎杩梗€可在出現(xiàn)瞬態(tài)電流時(shí)進(jìn)行快速建立。

AD7625采用LVDS接口，可實(shí)現(xiàn)業(yè)界具有突破性的動(dòng)態(tài)性能，信噪比為92 dB（6 MSPS），具有16位（1 LSB）積分非線性（INL）性能。 ADR434 基準(zhǔn)電壓源（4.096 V）為低噪聲、高精度的XFET基準(zhǔn)電壓源，具有較低的溫度漂移。其源電流輸出最高達(dá)30 mA，最大吸電流能力為20 mA。

ADR434提供8引腳MSOP或8引腳窄體SOICC封裝。 AD8031 運(yùn)算放大器可將 ADR434 輸出端與 AD7625的基準(zhǔn)電壓輸入隔離開(kāi)來(lái)，為REF輸入端的瞬態(tài)電流提供低阻抗和快速建立。

雙驅(qū)動(dòng)器僅需要54 mW，與135 mW的ADC功率、12 mW的基準(zhǔn)電壓源和緩沖相加，整個(gè)電路僅產(chǎn)生201 mW的總功耗。

電路使用+7 V和?2 V電源，用于 ADA4897-1 驅(qū)動(dòng)器的輸入，以最大程度降低功耗， 實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)失真性能。 ADA4897-1 輸出級(jí)是軌到軌的，采用5 V單電源供電時(shí)，在150 mV和4.85 V之間擺動(dòng)。但是，范圍兩端的額外2 V裕量可以提供低失真。

圖2顯示輸入級(jí)使用+7 V和?2 V電源的電路交流性能。SNR= 88.6 dB，THD = ?110.7 dB，20 kHz輸入信號(hào)比滿量程低0.6 dB（93%滿量程）。

圖2. 雙電源（+7 V，?2 V）供電的AD7625和ADA4897-1，SNR = 88.6 dB，THD = ?110.7 dB，基波幅值 = 滿量程的?0.6 dB

圖3. 單電源（5 V）供電的AD7625和ADA4897-1，SNR = 86.7 dB，THD = -101.1 dB，基波幅值 = 滿量程的?1.55 dB

圖3顯示輸入級(jí)使用5 V單電源的電路交流性能。SNR = 86.7dB，THD = -101.1 dB，20 kHz輸入信號(hào)比滿量程低1.55 dB（84%滿量程）。

電源電壓從?2 V，+7 V降低至0 V，+ 5V，數(shù)據(jù)顯示SNR大約降低1.9 dB，THD大約降低9.6 dB。

單電源配置適用于系統(tǒng)沒(méi)有雙電源但仍需達(dá)到高性能的用戶。

常見(jiàn)變化

AD7625 集成內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，如果系統(tǒng)要求，還支持兩個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源。通過(guò)在REFIN引腳上施加 ADR3412 基準(zhǔn)電壓（1.2 V）輸出，可以產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，它通過(guò)片上基準(zhǔn)電壓緩沖器放大為4.096 V的正確ADC基準(zhǔn)電壓值。 ADR3412 可使用與 AD7625相同的5 V模擬軌供電，并且采用片上基準(zhǔn)電壓緩沖器。

另外，4.096 V外部基準(zhǔn)電壓源（例如 ADR434 或 ADR444）可以連接到使用緩沖放大器（例如 AD8031 ）的ADC無(wú)緩沖REF輸入，如圖1所示。此方法常用于多通道應(yīng)用，其中的系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源由多個(gè)ADC共享。

ADR434和 ADR444 配置還非常適合單通道應(yīng)用，這些應(yīng)用需要較低的基準(zhǔn)電壓源溫度系數(shù)（對(duì)于 ADR434B 和 ADR444B，最大值為3 ppm/°C）。用于為 ADA4897-1 運(yùn)算放大器供電的7 V供電軌還可為 ADR434 或 ADR444的VIN電源引腳供電。

另一個(gè)具有吸引力的4.096 V基準(zhǔn)電壓源為。 ADR4540低壓差 （》300 mV）高精度基準(zhǔn)電壓源，允許采用5 V電源供電。

如果需要， ADA4897-1 和 AD8031 單通道運(yùn)算放大器可用它們的雙通道版本（分別為 ADA4897-2 和 AD8032） 來(lái)替代。

對(duì)于3 MHz的高輸入頻率，我們推薦使用 ADA4899-1（15mA/amp）作為驅(qū)動(dòng)放大器。

ADA4938-1 （37 mA/amp）非常適用于高達(dá)10 MHz的信號(hào)，也可用作單端到差分轉(zhuǎn)換器。

該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹?a href="http://ttokpm.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB）布局，包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路（如需要）、元件布局、信號(hào)布線以及電源層和接地層。