低功耗精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈適用于空間受限的應(yīng)用

適用于儀器儀表、工業(yè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域的許多應(yīng)用 工業(yè)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)的各種數(shù)據(jù)采集卡 用于連接各種傳感器類(lèi)型：光學(xué)、溫度、壓力、 磁性、振動(dòng)和聲學(xué)，僅舉幾例。輸出信號(hào)來(lái)自 這些傳感器通常是單端或差分傳感器。在此類(lèi)應(yīng)用中， 模擬前端接受單端或差分信號(hào)， 執(zhí)行增益或衰減、抗混疊濾波和電平轉(zhuǎn)換 要求，然后在滿(mǎn)量程電平驅(qū)動(dòng)ADC的輸入。雙 單端至差分和全差分信號(hào)鏈配置 需要額外的電路來(lái)電平轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)。然而完全 差分信號(hào)鏈提供更高的噪聲抑制和兩倍的信號(hào) 擺動(dòng)以增加功率和更復(fù)雜的信號(hào)為代價(jià) 鏈。模擬前端有時(shí)使用可選儀器 ADC驅(qū)動(dòng)器級(jí)前的放大器或JFET放大器，用于高阻抗 傳感器接口。根據(jù)應(yīng)用要求，系統(tǒng) 設(shè)計(jì)人員將各種傳感器的輸出多路復(fù)用到一個(gè) 單個(gè)數(shù)據(jù)采集通道或使用同步采樣進(jìn)行數(shù)字化 來(lái)自單個(gè)傳感器的信號(hào)，以提高采樣率 每個(gè)通道。他們被迫尋找保持平衡的創(chuàng)新方法 在最佳性能、熱功耗和增加 電路密度挑戰(zhàn)。典型的高級(jí)傳感器到比特?cái)?shù)據(jù)采集 信號(hào)鏈如圖1所示。

圖1.典型的傳感器到比特?cái)?shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。

兩種常用方法是單端至差分轉(zhuǎn)換和 差分到差分轉(zhuǎn)換。

本文提出一種低功耗精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 全差分和單端輸入信號(hào)配置解決方案， 重點(diǎn)介紹其關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并演示如何 為空間受限的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳性能。這 此處介紹的低功耗信號(hào)鏈采用低噪聲全差分放大器ADA4940-1、差分輸入18位PulSAR ADC7982、 ADR435精密基準(zhǔn)電壓源，還可緩解模擬信號(hào) 通過(guò)消除對(duì)額外驅(qū)動(dòng)器級(jí)的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)并節(jié)省成本 電路板空間。?

全差分18位數(shù)據(jù)采集 信號(hào)鏈

逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 用于無(wú)數(shù) 具有高精度性能、低延遲和 功耗相對(duì)降低。全差分輸入單極性 SAR ADC 提供更高的分辨率和更好的交流和直流性能 其中大多數(shù)要求輸入共模為 V裁判/2，以最大化信號(hào)擺幅和差分反相 信號(hào)（彼此異相 180°）在其每個(gè)輸入端。這 可能涉及輸入信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。精密、低功耗、 需要18位、1 MSPS AD7982差分輸入單極性PulSAR ADC 差分ADC驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)最佳性能。該 ADC 提供 與 SPI、QSPI 等兼容的多功能串行數(shù)字接口 數(shù)字主機(jī)。該接口可配置為簡(jiǎn)單的 3 線模式 用于最低的 I/O 計(jì)數(shù)，或允許選擇 菊花鏈回讀和忙音指示。4線模式還允許 來(lái)自 CNV（轉(zhuǎn)換輸入）的獨(dú)立回讀時(shí)序，使 使用多個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)采樣。

采用ADI公司專(zhuān)有的SiGe互補(bǔ)材料制造 雙極性工藝，低功耗、低噪聲、全差分放大器， ADA4940-1，最適合驅(qū)動(dòng)16位和18位ADC，最小 性能下降。如圖2所示，它驅(qū)動(dòng)差速器 AD7982、18位、1 MSPS ADC和ADR435的輸入，低噪聲， 精密5 V基準(zhǔn)電壓源用于為ADC所需的5 V供電。這 ADR435提供足夠的輸出電流，無(wú)需 在REF引腳上使用22 μF去耦電容的基準(zhǔn)電壓緩沖器 AD7982。圖2所示的所有IC均采用小尺寸封裝， 包括 3 毫米× 3 毫米 LFCSP、4 毫米× 4 毫米 LFCSP 和 3 毫米× 5 毫米 MSOP，有助于減少電路板空間。

圖2.低功耗、全差分、18位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

放置一個(gè)單極點(diǎn)、2.7 MHz、RC（22 Ω，2.7 nF）低通濾波器 在ADC驅(qū)動(dòng)器輸出和ADC輸入之間，以幫助限制噪聲 在ADC輸入端，并減少來(lái)自 SAR ADC的容性DAC輸入。但是，過(guò)多的帶寬限制可能會(huì) 影響建立時(shí)間并增加失真。因此，它非常重要 以找到此濾波器的最佳 RC 值。C0G 或 NP0 型電容器 推薦用于具有高Q值、低溫的RC濾波器 系數(shù)，并在變化電壓下保持穩(wěn)定的電氣特性。一個(gè) 應(yīng)選擇合理的串聯(lián)電阻值以保持放大器 穩(wěn)定并限制其輸出電流。

低失真、高性能信號(hào)源 Audio Precision SYS-2702 用于以下所有測(cè)試用例，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。在這種情況下，來(lái)自信號(hào)源的9.6 V p-p差分輸出饋入ADC驅(qū)動(dòng)器輸入，以使用5 V基準(zhǔn)電壓源獲得ADC的滿(mǎn)量程動(dòng)態(tài)范圍性能。輸出共模電壓為2.5 V時(shí)，每個(gè)ADA4940-1輸出擺幅在0.1 V至4.9 V之間，相位相反，為ADC輸入提供1和9.6 V p-p差分增益。請(qǐng)注意，每個(gè)ADA4940-1輸入需要200 mV接地裕量，5 V電源需要1.2 V裕量。每個(gè)ADA4940-1輸出還需要100 mV的地橋裕量和裕量，以及5 V電源供電。?

當(dāng)用作ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，ADA4940-1允許用戶(hù)進(jìn)行必要的信號(hào)調(diào)理，包括電平轉(zhuǎn)換以及衰減或放大信號(hào)，以獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍，使用四個(gè)電阻，因此無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)器級(jí)。反饋電阻（R2 = R4）與增益電阻（R1 = R3）的比值設(shè)定增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。

對(duì)于平衡差分輸入信號(hào)，有效輸入阻抗為2×增益電阻（R1或R3）= 2 kΩ，對(duì)于非平衡（單端）輸入信號(hào)，有效阻抗約為1.33 kΩ，使用公式

如果需要，可以使用與輸入并聯(lián)的端接電阻。

ADA4940-1內(nèi)部共模反饋環(huán)路強(qiáng)制共模輸出電壓等于施加至V的電壓OCM輸入并提供出色的輸出平衡。差分輸出電壓取決于 VOCM當(dāng)兩個(gè)反饋因子β1和β2不相等時(shí)，輸出幅度或相位的任何不平衡都會(huì)在輸出中產(chǎn)生不需要的共模分量，并在差分輸出中產(chǎn)生冗余噪聲和失調(diào)。因此，在這種情況下，輸入源阻抗和R1（R3）的組合必須為1 kΩ（即β1 = β2），以避免每個(gè)輸出信號(hào)的共模電壓不匹配，并防止來(lái)自ADA4940-1的共模噪聲增加。

噪聲分析

當(dāng)信號(hào)穿過(guò)印刷電路板（PCB）和長(zhǎng)電纜的走線時(shí)，系統(tǒng)噪聲會(huì)積聚在信號(hào)中，差分輸入ADC抑制任何表現(xiàn)為共模電壓的信號(hào)噪聲。差分信號(hào)增加了ADC的動(dòng)態(tài)范圍，并提供更好的諧波失真性能。

這款18位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的預(yù)期信噪比（SNR）理論上可以通過(guò)取每個(gè)噪聲源（ADA4940-1、ADR435和AD7982）的和方根（RSS）來(lái)計(jì)算。

ADA4940-1在100 kHz時(shí)提供典型值為3.9 nV/√Hz的低噪聲性能，如圖3所示。

圖3.ADA4940-1輸入電壓噪聲頻譜密度與頻率的關(guān)系

計(jì)算差分放大器的噪聲增益對(duì)于找到其等效輸出噪聲貢獻(xiàn)非常重要。

差分放大器的噪聲增益為：

是兩個(gè)反饋因素。

應(yīng)考慮以下差分放大器噪聲源：

由于ADA4940-1的輸入電壓噪聲為3.9 nV/√Hz，因此其差分輸出噪聲為7.8 nV/√Hz。

ADA4940-1共模輸入電壓噪聲（eOCM） 是 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的83 nV/√Hz，因此其輸出噪聲為– eOCM× （β1 – β2） × NG= 0。

R1、R2、R3和R4電阻的噪聲可以根據(jù)給定帶寬下的約翰遜-奈奎斯特噪聲方程計(jì)算。eRn（雷恩）= √(4KBTR)，其中 kB是玻爾茲曼常數(shù) （1.38065 × 10 – 23 J/K），T 是以開(kāi)爾文為單位的電阻絕對(duì)溫度，R 是以歐姆 （Ω） 為單位的電阻值。來(lái)自反饋電阻的噪聲為eR2= eR4= 4.07 nV/√Hz。

來(lái)自 R1 的噪音將是eR1× （1 – β1） × NG = 4.07 nV/√Hz 和 R3 為eR3× （1 – β2） × NG = 4.07 nV/√Hz。

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的ADA4940-1電流噪聲為0.81 pA/√Hz。

反相輸入電壓噪聲：
iIN– × R1||R2 × NG = 0.81 nV/√Hz

同相輸入電壓噪聲：
iIN+ × R3||R4 × NG = 0.81 nV/√Hz

因此，ADA4940的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)為：

ADC輸入端（RC濾波器后）的總積分噪聲為

AD7982的均方根噪聲可通過(guò)其5 V基準(zhǔn)電壓源的典型信噪比（SNR）98 dB計(jì)算得出。

使用這些數(shù)字，ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC的總噪聲貢獻(xiàn)為

請(qǐng)注意，在這種情況下，ADR435基準(zhǔn)電壓源的噪聲貢獻(xiàn)被忽略，因?yàn)樗梢院雎圆挥?jì)。

因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理論信噪比可以估算如下。

AD7982在1 kHz輸入信號(hào)下實(shí)現(xiàn)典型值為96.67 dB的SNR和–111.03 dB的THD，如圖4所示。在這種情況下，測(cè)得的SNR為96.67 dB，非常接近上述96.95 dB的理論估計(jì)SNR。數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的98 dB目標(biāo)SNR的實(shí)際損耗歸因于ADA4940差分放大器電路的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)。AD7982的典型INL和DNL性能如圖5所示。

圖4.FFT 圖，f在= 1 kHz， FS= 1 MSPS（ADA4940-1配置為全差分驅(qū)動(dòng)器）。

圖5.采樣頻率為 1 MSPS 的 INL 和 DNL 圖（最小/最大 INL = +1.6/–1.1 LSB 和 DNL = ±0.5 LSB）。

單端轉(zhuǎn)差分18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈

在許多應(yīng)用中，單端轉(zhuǎn)差分配置最常用于差分ADC，因?yàn)閬?lái)自許多傳感器的輸出信號(hào)通常是單端的，在某些情況下，傳感器之后的級(jí)是儀表或JFET放大器。在這種情況下，這些信號(hào)需要使用額外的電路進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換，以便將信號(hào)饋送到下游的差分輸入ADC，并利用ADC的滿(mǎn)量程范圍。單端至差分轉(zhuǎn)換可以使用分立放大器解決方案以多種方式實(shí)現(xiàn)，每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但是，這是以額外的電路板空間和增加成本為代價(jià)的。所提出的低功耗解決方案采用全差分ADC驅(qū)動(dòng)器，可在單端至差分轉(zhuǎn)換配置中提供最佳性能，ADC驅(qū)動(dòng)器的集成輸出共?？刂埔矞p輕了信號(hào)電平轉(zhuǎn)換的痛苦，無(wú)需額外的信號(hào)調(diào)理級(jí)。同一電路還可以接受來(lái)自信號(hào)源的±4.8 V單端輸入信號(hào)，以產(chǎn)生9.6 V p-p的全差分輸出信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)ADC輸入，以最大限度地提高動(dòng)態(tài)范圍性能，如圖6所示。AD7982在1 kHz輸入信號(hào)下實(shí)現(xiàn)典型值為95.89 dB的SNR和–110.14 dB的THD，如圖7所示。

圖6.低功耗、單端至差分、18位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

圖7.FFT 圖，f在= 1 kHz， FS= 1 MSPS（ADA4940-1配置為單端至差分驅(qū)動(dòng)器）。

功耗

許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要低功耗和更小的電路板尺寸，以滿(mǎn)足空間受限的應(yīng)用。AD7982采用單V電源供電DD電源電壓為2.5 V，采用5 V基準(zhǔn)電壓源和3 V V電源時(shí)在1 MSPS時(shí)的功耗僅為6.1 mW 左右IO供應(yīng)。如圖8所示，其功耗也與吞吐速率成線性關(guān)系，使ADC非常適合高采樣速率和低采樣速率，甚至低至幾Hz。此功能可為電池供電的便攜式儀器提供極低的功耗。ADC的基準(zhǔn)電壓可以獨(dú)立于電源電壓（VDD），這決定了ADC的輸入滿(mǎn)量程范圍。在這種情況下，AD7982的5 V基準(zhǔn)電壓從外部施加在精密帶隙基準(zhǔn)電壓源ADR435的REF引腳上，該基準(zhǔn)電壓源采用7.5 V板載電源供電，典型功耗為4.65 mW。

圖8.AD7982功耗與吞吐量的關(guān)系

ADA4940-1采用5 V單電源供電，典型功耗為6.25 mW。其輸出擺幅為0.1 V至9 V，共模電壓為2.5 V，并可容納ADC的滿(mǎn)量程輸入。其軌到軌輸出可驅(qū)動(dòng)至每個(gè)電源軌的0.1 V以?xún)?nèi)，音頻范圍內(nèi)的交流性能下降最小。

所提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括ADC驅(qū)動(dòng)器、ADC和基準(zhǔn)電壓源）的總功耗典型值約為17 mW。

評(píng)估設(shè)置

使用音頻精度SYS-2702信號(hào)源、ADA49xx-1 EVAL-BRDZ、EVAL-AD7982SDZ PulSAR AD7982評(píng)估板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)連接的簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)置如圖9所示。配備USB端口的Windows 7PC用于運(yùn)行AD7982 PulSAR評(píng)估軟件進(jìn)行上述所有測(cè)試。

圖9.評(píng)估設(shè)置功能框圖。

在為給定應(yīng)用選擇用于驅(qū)動(dòng)SAR ADC的ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，仔細(xì)檢查噪聲、帶寬、建立時(shí)間、輸入和輸出裕量/裕量以及功率要求非常重要。本文針對(duì)單端和全差分輸入信號(hào)配置提出的18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的性能，總功耗僅為17 mW左右，并通過(guò)消除額外的模擬信號(hào)調(diào)理級(jí)來(lái)節(jié)省電路板空間以提高通道密度。采用ADA4940-1的替代低功耗精密信號(hào)鏈非常適合驅(qū)動(dòng)16位、1 MSPS/500 kSPS差分PulSAR ADC AD7915/AD7916，它們是AD7982的直接替代產(chǎn)品，可為空間受限的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能。

審核編輯：郭婷