技術(shù) | 采用PGA的SAR轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)125 dB的動態(tài)范圍

對于需要高動態(tài)范圍的應(yīng)用，通常使用∑-Δ轉(zhuǎn)換器。這些應(yīng)用主要可以在化學(xué)分析、醫(yī)療保健和體重管理領(lǐng)域找到。但是，其中許多模塊無法快速轉(zhuǎn)換。

圖1中的電路顯示了帶有2.5 MSPS和上游可編程儀表放大器的16位SAR轉(zhuǎn)換器，它將增益設(shè)置為1或100。通過在FPGA中進(jìn)行過采樣和數(shù)字信號處理，該電路可實現(xiàn)大于125 dB的動態(tài)范圍，并且仍然非常安靜。高動態(tài)范圍是通過AD8253的自動切換和過采樣實現(xiàn)的，其中信號的采樣速率遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率。根據(jù)經(jīng)驗，采樣頻率加倍可在原始信號帶寬下將信噪比(SNR)提高約3 dB。在圖1所示的電路中，仍然在FPGA中應(yīng)用數(shù)字濾波，以消除高于目標(biāo)信號帶寬的噪聲。原理如圖2所示。

圖1. 具有自動增益調(diào)節(jié)功能的SAR轉(zhuǎn)換器。

為了獲得最大動態(tài)范圍，在輸入端使用儀表放大器將極低信號放大100倍。有關(guān)噪聲的一些注意事項如下：

對于>126 dB的動態(tài)范圍要求，在3 V (6 V p-p)輸入信號時產(chǎn)生的最大噪聲級為1 μV rms。AD7985是具有2.5 MSPS的16位SAR轉(zhuǎn)換器。如果它以600 kSPS（低功率損耗為11 mW）和72過采樣系數(shù)運行，則產(chǎn)生大約8 kSPS的采樣率，因此帶寬為4 kHz。在這些條件下，將產(chǎn)生最大15.8 nV/√Hz的噪聲密度(ND)。該值對于選擇正確的儀表放大器很重要。ADC通常具有89 dB的SNR，而系數(shù)為72的過采樣會額外增加18 dB，因此仍需要大約20 dB才能達(dá)到126 dB的目標(biāo)，這是儀表放大器的任務(wù)。AD8253的增益為100時，其值為11 nV/√Hz。下方用作ADC驅(qū)動器和用于電平調(diào)節(jié)的AD8021又增加了2.1 nV/√Hz的噪聲。

圖2. 過采樣的增加消除了部分噪聲。

模擬信號鏈由基準(zhǔn)電壓ADR439（或REF194）以及ADA4004-2完成，作為基準(zhǔn)緩沖區(qū)和驅(qū)動器，用于產(chǎn)生偏移電壓。

除模擬路徑中的組件外，F(xiàn)PGA（或處理器）對電路性能也很重要。關(guān)鍵任務(wù)是將儀表放大器的增益從1切換為100。為此，對許多閾值進(jìn)行了編程以確保ADC不飽和。因此，AD8253在輸入電壓高達(dá)20 mV左右時以100為增益運行，這使得ADC輸入端的最大電壓達(dá)2.0 V。然后，F(xiàn)PGA將AD8253的增益降至1且沒有延遲，以防止過載（見圖3）。

圖3. 增益開關(guān)示例。

電路的變化可通過AD7980（16位、1 MSPS）、AD7982（18位、1 MSPS）或AD7986（18位、2 MSPS）等其他ADC操作。同樣，不使用增益為1、10、100和1000的AD8253，而改用具有較低范圍的AD8251等儀表放大器（增益為1、2、4和8）。基準(zhǔn)電壓的選擇也可能會改變。