CN0255 16 位、100 kSPS 單電源低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

CN0255 設(shè)備要求（可以用同等設(shè)備代替） EVAL-CN0255-SDPZ 系統(tǒng)演示板( EVAL-SDP-CB1Z) 函數(shù)發(fā)生器/信號(hào)源，例如這些測(cè)試中使用的Audio Precision SYS-2522。 電源，2.5 V及4 V 帶USB端口的PC、USB電纜，安裝10引腳PulSAR軟件 設(shè)置與測(cè)試 交流性能測(cè)量設(shè)置的功能框圖如圖9所示。將2.5 V和4 V電 源連接至評(píng)估板電源引腳。 為了測(cè)量頻率響應(yīng)，按照?qǐng)D9所示連接設(shè)備。將Audio PrecisionSYS-2522信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為10 kHz頻率和2.5Vp-p正 弦波，并具有1.25V直流漂移。使用評(píng)估板軟件記錄數(shù)據(jù)。 軟件分析是評(píng)估板軟件的一部分，使用戶可以采集并分析 直流和交流性能。 ? 圖9.用于測(cè)量交流性能的電路測(cè)試設(shè)置 ? lSAR?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?；蛘撸绻枰叩姆直媛?，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。 ? 圖4.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 ? 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(hào)必須偏置，以便使其位于ADC輸入范圍（2.5 V基準(zhǔn)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(hào)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(hào)帶寬為80 MHz，壓擺率為30 V/μs，建立時(shí)間為125 ns。該放大器為帶容性負(fù)載的單位增益穩(wěn)定型放大器，采用3.3 V單電源時(shí)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(dá)分壓器的2.5 V基準(zhǔn)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。 ? 圖5. 增強(qiáng)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(jì)算的電源電流貢獻(xiàn)，包括VCM緩沖器( AD8031) ?加載 ?描述 ?電源電流 ?電源電壓 ?功耗 ?ADC AD7988-1 ?150 μA ?2.5V ?375 μW ?驅(qū)動(dòng)器 ADA4841-1 ?1.1 mA ?4V ?4.4 mW ?基準(zhǔn)電壓源 ?ADR4525 ?600 μA ?4V ?2.4 mW ?VCM緩沖器 ?AD8031 ?750 μA ?4V ?3 mW ?總計(jì)? ? ? ? ?10.17 mW ? 圖6. 增強(qiáng)型電路，包括共模和基準(zhǔn)電壓緩沖器 ? 添加基準(zhǔn)電壓緩沖器 在不同電路共享基準(zhǔn)電壓源的應(yīng)用中，可能需要緩沖基準(zhǔn)電壓以確保最佳性能。本實(shí)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(zhǔn)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(shí)使用AD8032 放大器建立VCM電平并緩沖基準(zhǔn)電壓，如圖6所示。此電路實(shí)施于 EVAL-CN0255-SDPZ 評(píng)估板上。 ? 圖7.AD7988-1在10 KHZ輸入音下測(cè)得的交流性能，采樣速率100 KSPS ? 圖8.針對(duì)類似配置，使用500 KSPSAD7988-5在10 KHZ輸入音下測(cè)得的交流性能 ? 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) 加載 描述 計(jì)算 測(cè)量通道 電源電流? 電源電壓? 功耗 電源電流 電源電壓? 功耗? ?ADC ?AD7988-1 ?150 μA ?2.5 V ?375 μW ?148 μA ?2.5 V ?370 μW ?驅(qū)動(dòng)器 ADA4841-1 ?1.1 mA ?4 V ?4.4 mW ?1.95 mA ?4 V ?7.8 mW ?基準(zhǔn)電壓源 ADR4525 ?700 μA ?4 V ?2.8 mW ?基準(zhǔn)負(fù)載 ?ADC基準(zhǔn)電流 ?60 μA ?4 V ?240 μW 總計(jì)?? ? ? ? ?7.81mW ? ? ?8.17mW 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。 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 ? CN0255

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 adi