用于精準測量和快速信號跟蹤的高準確度 SAR ADC

作者 Alison Steer 　凌力爾特公司產品市場經理混合信號產品

引言

　　如今，高精度模數(shù)轉換器 (ADC) 市場主要由 ΔΣ ADC 提供支持，這得益于其高動態(tài)范圍、精準DC性能及合理的價格。按照設計，ΔΣ ADC采用一個ΔΣ調制器和一個位于該調制器之后的數(shù)字抽取濾波器對輸入信號進行過采樣，因而產生低噪聲、但緩慢的輸出數(shù)據速率。過采樣的一個額外優(yōu)勢是能夠極大地簡化外部模擬抗混疊濾波器，從而依賴數(shù)字濾波器以決定通帶中的頻率響應。

1 SAR ADC技術及相關產品

　　凌力爾特的新式SAR ADC技術把更高的性能帶給了精準型應用，在DC規(guī)格指標(INL、DNL、偏移、增益誤差和穩(wěn)定性)方面可媲美最佳的ΔΣ ADC，同時保持高采樣速率和無延遲操作。快速采樣SAR ADC常用于對低帶寬信號實施過采樣。傳統(tǒng)的過采樣允許使用一個抽取濾波器 (低通濾波器+降頻采樣)，這增加了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。過采樣的另一個好處是放寬了對模擬抗混疊濾波器的要求。在未采用過采樣的場合，模擬抗混疊濾波器必需具有陡峭的滾降(陡峭的過渡頻帶)，由此增加了其復雜性。作為一種選擇，過采樣允許使用一個簡單的低階模擬濾波器與一個數(shù)字濾波器的組合以構成一個具非常陡峭滾降的等效混合模式抗混疊濾波器。然而，因此付出的代價是該濾波任務的負擔被加到了主機處理器上，并需要采用一個速度較快的處理器以快得多的速率從ADC輸出采集數(shù)據。

　　因此，凌力爾特正以不同的方式接近高精度市場;將其專有SAR ADC架構的高準確度和速度與集成型數(shù)字濾波器相整合。最新推出的產品是LTC2508-32和LTC2512-24。LTC2508-32是一款具集成型引腳可配置數(shù)字濾波器的32位1Msps SAR ADC，專為低帶寬、高精度應用而優(yōu)化。LTC2512-24 是一款具集成濾波器的24位、1.6Msps SAR ADC，其專為較高帶寬應用而優(yōu)化。LTC2508-32在61sps的最慢輸出速率下實現(xiàn)了145dB的動態(tài)范圍，而LTC2512-24的目標則是在50ksps輸出速率條件下提供117dB的動態(tài)范圍。

　　ΔΣ ADC的一個重要方面是調制器的輸出不是直接可用的。就是說，它是一種具整形量化噪聲和非常低SNR的低分辨率信號。人們采用各種不同的方法對ΔΣ調制器的量化噪聲進行整形，將其推送至一個較高的頻率(在此頻率上更容易濾除量化噪聲)，而讓關注的信號占據濾波器通帶中的較低頻率。接著，對調制器的輸出進行低通濾波以產生可用的轉換結果。不過，由于其架構的本質，ΔΣ調制器因其輸出頻譜中的寄生音調而受到損害。盡管它們可能很努力，但是來自調制器的寄生音調仍然會(而且確實)出現(xiàn)在通帶之中。

　　在存在這些毛刺信號的情況下試圖搜索一個小信號幾乎是不可能的。逐次逼近寄存器型(SAR)ADC不會遭受該缺陷之苦，并且具有一個接近理想的白噪聲功率譜。這將使得 SAR ADC 成為檢測處于非常低能量水平的音調或振動之一種更佳選擇。然而，許多SAR ADC在16位至18位分辨率水平上仍然因為DC轉移函數(shù)中的不連續(xù)性而受到損害，因而犧牲了DC性能。

2 LTC2508-32和LTC2512-24

　　LTC2508-32和LTC2512-24擁有良好的線性特性，無漏失碼。這使得應用能夠充分利用經濾波之輸出數(shù)據的巨大動態(tài)范圍。

　　憑借僅為 22nV_RMS/√Hz 的噪聲頻譜密度，LTC2508-32 在 24 位或 32 位分辨率下可提供優(yōu)于任何同類競爭 ADC 解決方案的噪聲性能 (圖 1)。與ΔΣ 調制器輸出不同，這款凌力爾特 SAR ADC 的輸出具有平坦的噪聲功率頻譜密度，沒有需要應付的音調。這意味著數(shù)字濾波器可針對最終應用的要求 (而不是以濾除調制器噪聲和音調為目的) 任意地設計。LTC2508-32 濾波器是一種“擴展sinc”架構，代表了在阻帶抑制和穩(wěn)定時間之間的一種謹慎選擇的平衡。LTC2512-24 數(shù)字濾波器擁有延伸至f_O/4 (奈奎斯特區(qū)的一半) 之“不打折扣”的 0.001dB 通帶平坦度。LTC2512-24 濾波器過渡區(qū)和阻帶衰減不如許多ΔΣ 濾波器那么富有“侵略性”，因而可實現(xiàn)較快的穩(wěn)定和較小的時域人為干擾。再一次地，使這樣的濾波器具有實用性正是因為沒有音調。

　　LTC2508-32 提供了4個引腳可選的抽取濾波器，這些濾波器的特性列于表 1。4個不同的抽取濾波器使得設計師能夠依據應用的選擇在帶寬和噪聲之間進行權衡。對于 LTC2508-32 的每種配置，該數(shù)字濾波器是一種具線性相位響應的低通有限脈沖響應 (FIR) 濾波器。數(shù)字濾波器的輸出隨后利用對應的降頻采樣因子(DF)進行降頻采樣。于是，最終產生的輸出數(shù)據速率(f_O)等于fSMPL/DF。在每種抽取濾波器選擇中，-3dB 帶寬與所選的 DF 值成反比。對于處在f_O/2至fSMPL–f_O/2 范圍內的頻率，每種配置提供一個最小80dB的衰減。降頻采樣因子每增加 4 倍，ADC 動態(tài)范圍擴大約 6dB，從而產生一個從131dB (在DF=256)至高達145dB(在DF=16384)的動態(tài)范圍。這相當于一個 24 位的有效位數(shù) (ENOB)。需注意的是，ADC 結果受限于一個品質特性噪聲過程 (即：熱噪聲)，而非其量化噪聲，這一點很重要。這意味著 ADC 應提供比 ENOB 至少多幾個位，對于一個 32 位輸出字，LTC2508-32 提供足夠數(shù)量的位，以采用整數(shù)字節(jié)來代表經過濾波的數(shù)據。

　　LTC2508-32的輸出始終在10個輸出采樣中完全地穩(wěn)定，這與DF無關。當降頻采樣因子增加時，帶寬減小，從而限制了噪聲并隨后擴大了動態(tài)范圍。當采用一個數(shù)值為256的降頻采樣因子時，濾波輸出的-3dB帶寬為480MHz，并產生一個3906sps的輸出數(shù)據速率。在16384 的最高DF條件下，-3dB帶寬是很窄的7.5Hz，可提供最高的噪聲濾波水平，并產生61sps 的最慢輸出數(shù)據速率。

　　此外，LTC2508-32還提供了雙數(shù)據輸出流，即：輸入信號的32位數(shù)字濾波版本，和一個直接來自前端SAR轉換器的無延遲、22位復合輸出。無延遲輸出字由一個代表差分輸入的14位代碼和一個代表輸入共模電壓的8位代碼組成。無延遲輸出在控制應用中特別適用于輸入信號的快速跟蹤和提供針對不斷變化之負載情況的即時反饋。另外，它還可用于監(jiān)視輸入信號的質量和指示系統(tǒng)故障 (例如：通過檢測有可能被數(shù)字濾波器隱藏的強噪聲或振蕩信號)。該信息可與8位共模值組合使用以提供預見性維護。共模電壓的變化也許表示會使上游受擾，從而導致潛在的設備故障。對于設計人員來說，這看似兩個ADC合為一體，提供了輸入信號的完全匹配表示，并不受失配或漂移問題的制約。

　　LTC2512-24提供了與LTC2508-32的很多相似之處，具有4個引腳可選的抽取濾波器，如表 2所示。圖2示出了數(shù)字濾波器從DC至fO(輸出數(shù)據速率)的幅度響應。支4至高達32的降頻采樣因子，降頻采樣因子每增加兩倍將實現(xiàn)3dB的動態(tài)范圍改善。LTC2512-24具有相同的22位復合代碼輸出，可提供輸入信號一種近乎理想的實時表示。對于LTC2512-24，輸出始終在35個輸出采樣中完全地穩(wěn)定。

　　LTC2508-32 是一款面向地震學應用以及石油和天然氣勘探的極佳候選方案，在此類應用中 ADC 必須分辨“埋藏”于噪聲中的極低電平信號。LTC2512-24 的較寬帶寬和平坦通帶可能更適合于心電圖 (EKG) 等醫(yī)療儀器，此類儀器既受益于濾波輸出的高動態(tài)范圍，同時又可利用無延遲輸出以提供諸如探頭位置等實時信息。對于任何采用了一個必須對輸入信號中的變化 (其通過較慢的濾波輸出將不會立即顯示出來) 做出快速反應的控制環(huán)路的精準型應用而言，這些 ADC 是理想的選擇。

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第2期第66頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。