16位、100 kSPS逐次逼近型ADC系統(tǒng)

連接/參考器件

　　AD7988-1 16位、100 kSPS PulSAR ADC

　　AD8641低功耗、軌到軌輸出精密單通道JFET運(yùn)算放大器

　　ADR435超低噪聲XFET 5.0 V基準(zhǔn)電壓源，具有吸電流和源電流能力

　　評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

　　電路評(píng)估板

　　CN-0306電路評(píng)估板（EVAL-CN0306-SDPZ）

　　系統(tǒng)演示平臺(tái)（EVAL-SDP-CB1Z）

　　設(shè)計(jì)和集成文件

　　原理圖、布局文件、物料清單

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1中的電路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）系統(tǒng)，集成驅(qū)動(dòng)放大器，針對(duì)最高1 kHz輸入信號(hào)和100 kSPS采樣速率、功耗低至7.35 mW的系統(tǒng)而優(yōu)化。

　　這種方法對(duì)于便攜式電池供電、要求低功耗的多通道應(yīng)用極為有用。它還為那些兩次轉(zhuǎn)換突發(fā)之間的大部分時(shí)間ADC都處于空閑狀態(tài)的應(yīng)用提供了優(yōu)勢(shì)。

　　通常，選擇高性能逐次逼近型ADC的驅(qū)動(dòng)放大器處理寬范圍的輸入頻率。然而，當(dāng)某個(gè)應(yīng)用需要更低的采樣速率時(shí)，便可節(jié)省大量功耗，因?yàn)榻档筒蓸铀俾蕰?huì)相應(yīng)地降低ADC功耗。

　　若要完全利用通過降低ADC采樣速率使功耗下降的優(yōu)勢(shì)，則需要使用低帶寬、低功耗放大器。例如，推薦80 MHz的ADA4841-1運(yùn)算放大器（10 V時(shí)功耗為12 mW）與AD7988-1 16位逐次逼近型寄存器（SAR） ADC（100 kSPS時(shí)功耗為0.7 mW）一同使用。包括ADR435基準(zhǔn)電壓源（7.5 V時(shí)功耗為4.65 mW）在內(nèi)的總系統(tǒng)功耗在100 kSPS時(shí)為17.35 mW.

　　對(duì)于最高1 kHz的輸入帶寬和100 kSPS的采樣速率，AD8641 3MHz運(yùn)算放大器（10 V時(shí)功耗為2 mW）可提供出色的信噪比（SNR）和總諧波失真（THD）性能，并且在100 kSPS時(shí)可將總系統(tǒng)功耗從17.35 mW降低至7.35 mW,降幅達(dá)58%.

圖1. 使用AD8641低功耗放大器驅(qū)動(dòng)AD7988-1 ADC的系統(tǒng)電路圖（原理示意圖：未顯示所有連接）

　　電路描述

　　該電路包含AD7988-1 ADC、AD8641放大器和ADR435基準(zhǔn)電壓源。AD7988-1是一款16位、100 kSPS SAR ADC,其低功耗可隨采樣速率調(diào)整，100 kSPS時(shí)功耗為0.7 mW.除了低功耗，它還具有業(yè)界領(lǐng)先的交流性能：SNR = 91 dB,THD = -114 dBc.

　　驅(qū)動(dòng)放大器采用AD8641低功耗、精密器件，其電源電流為200 μA,增益帶寬積為3 MHz.AD8641可采用5 V至26 V的電源供電。ADC的基準(zhǔn)電壓源采用ADR435,這是一款高精度、低噪聲、5 V XFET基準(zhǔn)電壓源。低電源電流（620 μA）時(shí)，ADR435具有極低的溫度系數(shù)（3 ppm/℃）。100 kSPS時(shí)，本電路的總功耗為7.35 mW.信噪比（SNR）為88.5 dBFS,總諧波失真（THD）為-103 dBc,輸入頻率最高為1 kHz.

　　AD8641配置為單位增益緩沖器，并且它與AD7988-1之間有一個(gè)截止頻率為93 kHz的RC濾波器（634 Ω，2.7 nF）。濾波器允許使用諸如AD8641等噪聲更高的放大器，在28 nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。與ADC的規(guī)格相比，以更高的噪聲換取更低功耗的代價(jià)僅是系統(tǒng)的信噪比（SNR）性能下降了2.5 dB.相對(duì)于數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的數(shù)值（20 Ω），更高的R值（634 Ω）表示AD8641可以驅(qū)動(dòng)2.7 nF的大容量輸入電容。更高的R值可將最大輸入帶寬限制為1 kHz,使得失真較低。

　　對(duì)于最高1 kHz的輸入，這與AD8641的16位失真性能（THD低于-100 dBc）差不多。超過1 kHz會(huì)加劇失真，因此不建議在更高的輸入頻率下使用該電路，而由于較長的建立時(shí)間，亦不建議在多路復(fù)用器應(yīng)用中使用該放大器。注意，相對(duì)于正電源電壓而言，AD8641需要至少2 V的輸入裕量。輸出級(jí)以軌到軌方式工作。

　　性能結(jié)果

　　本電路的目的是在最高1 kHz的給定輸入頻率范圍、100 kSPS的采樣速率情況下，以盡可能最低的ADC驅(qū)動(dòng)器功耗水平提供良好的交流性能。圖2顯示1 kHz輸入信號(hào)下的電路性能FFT圖。信噪比（SNR）為88.5 dB,總諧波失真（THD）為-103 dB.相比91 dB的規(guī)格，AD7988-1信噪比（SNR）下降的主要原因是AD8641具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz更高的噪聲，為28 nV/√Hz.總系統(tǒng)功耗為7.35 mW,其中：ADC為0.7 mW,放大器為2 mW,基準(zhǔn)電壓源為4.65 mW.這說明相對(duì)于ADA4841-1的12 mW,它可降低58%的功耗，總系統(tǒng)功耗為17.35 mW.

圖2. 使用AD8641放大器驅(qū)動(dòng)AD7988-1的系統(tǒng)電路性能

[!--empirenews.page--]
 

圖3顯示系統(tǒng)總諧波失真（THD）以及信噪比（SNR）如何隨著輸入頻率超過~1 kHz而下降。這是由于放大器失真導(dǎo)致的，可從圖4中的總諧波失真加噪聲（THD+N）與頻率的關(guān)系曲線看出。

　　圖3. AD8641放大器驅(qū)動(dòng)AD7988-1時(shí)，總諧波失真（THD）和信噪比（SNR）與輸入頻率的關(guān)系

　　圖4. AD8641放大器的總諧波失真加噪聲（THD+N）與輸入頻率的關(guān)系

　　常見變化

　　AD8641放大器可用于驅(qū)動(dòng)高速、引腳兼容型ADC,如AD7988-5和AD7980,但僅在不超過100 kSPS的較低采樣速率下才有效。OP1177放大器能夠以雙倍的電流（400 μA）驅(qū)動(dòng)AD7988-1,在4 kHz以下具有更佳的失真性能；并且由于噪聲更低，從而信噪比（SNR）也更佳（90 dB）。

　　電路評(píng)估與測(cè)試

　　設(shè)備要求（可以用同等設(shè)備代替）

　　需要以下設(shè)備：

　　●EVAL-CN0306-SDPZ評(píng)估板

　　●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

　　●評(píng)估板自帶的9 V壁式電源

　　●帶USB端口的PC、USB電纜，并且已安裝10引腳PulSAR軟件

　　設(shè)置并測(cè)試

　　從ADI網(wǎng)站的AD7988-1產(chǎn)品頁面下載10引腳PulSAR軟件，并使用UG-340用戶指南中的安裝指南進(jìn)行安裝。其測(cè)量配置的功能框圖如圖5所示。

　　將9 V壁式電源連接至評(píng)估板電源引腳。若要測(cè)量頻率響應(yīng)，設(shè)備應(yīng)按圖5所示進(jìn)行連接。將Audio Precision SYS-2522信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為1 kHz頻率和5Vp-p正弦波，并具有2.5 V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。該軟件及其特性見UG-340用戶指南。