很久以前，精確電氣的測量是在原始的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，在這類環(huán)境中，有充足的電力供應(yīng)，時間分配也能確保極高的準(zhǔn)確性。今天，人們希望將儀表攜帶到現(xiàn)場，讓儀表靠電池電源運(yùn)行，并立即實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性。模擬電路與數(shù)字電路不同，不會從較小的幾何尺寸產(chǎn)生的比例效應(yīng)中受益。如果功率消耗得較少，那么噪聲(精確測量的大敵)實(shí)際上增加了。隨著新的低壓工藝出現(xiàn)，信噪比(SNR)變得更差了，這是可以理解的，因?yàn)樾盘柗葴p小了。那么，在提高性能的同時，模擬信號鏈路怎樣“走向綠色”呢？
很多高速儀表的核心是一個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。例如，金屬物體的非破壞性測試采用一種類似于醫(yī)療超聲的成像方法，采用這種方法時，數(shù)字圖像傳感器為高速ADC提供信號。在有些情況下，會有很多通道，因此尺寸和功耗是關(guān)鍵。便攜式儀表顯然需要節(jié)省電池功率，不過即使是固定式安裝，也會關(guān)注功率，無論是為了實(shí)施“綠色”計劃，還是僅僅要在外形尺寸緊湊的儀表中最大限度地降低熱量。ADC的趨勢是走向采用幾何尺寸更小的工藝，并使用1.8V電源以降低功耗，但要實(shí)現(xiàn)與類似的3V器件同樣或更高的性能，就需要更聰明的ADC設(shè)計。
凌力爾特開發(fā)出了幾款引腳兼容、采樣率高達(dá)125Msps的1.8V超低功耗12位/14位和16位ADC系列，這些器件以非常低的功率提供卓越的動態(tài)性能。這些新器件無需減少功能或提高前端放大器的要求，就可以極大地降低功耗。由于可以選擇單、雙、4和8通道ADC，因此客戶可以實(shí)現(xiàn)非常高的通道密度，同時確保系統(tǒng)中的熱量最低。不過，ADC只是該鏈路的其中一部分。整個信號鏈路必須良好匹配，以使儀表順利工作。
匹配的信號通路設(shè)計
就需要16位性能和超低功耗以延長電池壽命的應(yīng)用而言，LTC2195系列是理想的解決方案。便攜式儀表是一個完美的例子。在很多應(yīng)用中，來自傳感器的信號必須在ADC采樣前進(jìn)行調(diào)理。就這項任務(wù)而言，選擇與ADC性能匹配的低噪聲、低功率放大器是很重要，例如可以選擇LTC6406，該器件與LTC2195系列是良好匹配的。
LTC6406是一款全差分放大器，具低噪聲(在輸入端為1.6nV/√Hz)和高線性度(在20MHz時為+44dBmOIP3)，采用小型3mmx3mmQFN封裝。增益是用外部電阻器設(shè)定的，從而為用戶提供了最大的設(shè)計靈活性。低功耗(用3.3V電源時為59mW)最大限度地降低了對系統(tǒng)功率預(yù)算的影響。這個放大器的共模電壓范圍還延伸至0.5V，這意味著，它可以與LTC2195無縫配對，因?yàn)長TC2195具0.9V的標(biāo)稱共模電壓。
一般情況下，數(shù)字傳感器的輸出是單端的。這就要求ADC采樣之前，進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換。如果DC響應(yīng)也需要，那么就不能用變壓器。這種情況就需要諸如LTC6406這種能進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換的低噪聲放大器。
該放大器之后必須跟隨一個濾波器，以降低放大器的寬帶噪聲，并隔離放大器輸出與ADC輸入，ADC輸入產(chǎn)生與采樣電容換向有關(guān)的共模干擾。濾波器有助于衰減這類干擾，從而保護(hù)了放大器。高階濾波器并不需要，因?yàn)榉糯笃鞯脑肼曄喈?dāng)?shù)?。轉(zhuǎn)角頻率為12MHz的濾波器用在這里就足夠了，它不會降低ADC的性能。
最終的濾波器應(yīng)該設(shè)計僅為降低放大器的寬帶噪聲，而不是作為具陡峭過渡頻帶的選擇性過濾器。濾波器的陡峭過渡頻帶會增加插入損耗，并減低放大器OIP3，這會導(dǎo)致傳感器信號失真。圖1所示電路達(dá)到了這個目標(biāo)。
圖1：單端至差分接口至高速ADC
所采用的ADC是LTC2195，該器件是一款16位125Msps、同時采樣、雙通道ADC，用單一1.8V電源工作。該器件以每通道216mW的功率實(shí)現(xiàn)了與消耗1.25W功率的ADC幾乎同樣的SNR性能。LVDS串行接口允許該器件占用的電路板空間不到以前ADC的一半，還由于減少了I/O數(shù)，還允許使用更小的FPGA。這個電路與LTC6406一起，僅消耗275mW功率，這對多通道系統(tǒng)而言是一個顯然的優(yōu)勢。這個電路可以非常容易地應(yīng)用于該系列的14位和12位器件，或應(yīng)用于以低得多的采樣率采樣的轉(zhuǎn)換器，從而進(jìn)一步節(jié)省了功率。
圖2顯示了這個電路的性能。結(jié)果顯示，在低輸入頻率時，放大器的線性度不會降低ADC的SFDR。SNR也保持在76.5dB不變。當(dāng)以單位增益使用時，LTC6406不降低LTC2195的SNR或SFDR。
圖2：FS=125Msps和FIN=1MHz時，
圖1電路的FFT結(jié)果
結(jié)論
無論就固定式安裝還是就便攜式設(shè)備而言，向“綠色”儀表和測試設(shè)備發(fā)展的趨勢是不可避免的。隨著性能的提高和功耗要求的降低，匹配整個信號鏈路的組件變得非常重要了。就16位性能而言，LTC2195這款A(yù)DC最適合分辨率很高且關(guān)注功率的傳感器應(yīng)用，而LTC6406則是一個匹配很好的驅(qū)動器放大器，該放大器不會使LTC2195的性能打折扣，而且其功率要求也很低。通過用一個相對低階的濾波器來降低放大器的寬帶噪聲，該ADC的數(shù)據(jù)表性能可以非常容易地實(shí)現(xiàn)。LTC2195與LTC6406的配對組合適用于任何便攜式圖像傳感器應(yīng)用，同時提供了卓越的性能和低功耗。
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