精密數據采集信號鏈設計中的常見難點解析
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許多應用都要求采用精密數據采集信號鏈以數字化模擬數據，從而實現數據的精確采集和處理。精密系統(tǒng)設計師面臨越來越大的壓力，需要找到創(chuàng)新的辦法，提高性能、降低功耗，同時還要在小型PCB電路板上容納更高的電路密度。本文旨在討論精密數據采集信號鏈設計中遇到的常見難點，探討如何運用16位/18位、2 MSPS、精密逐次逼近寄存器(SAR) ADC解決這些難點。
本文引用地址：http://2s4d.com/article/202409/462857.htmAD4000/AD4003（16位/18位）ADC基于ADI的高級技術設計而成，集成了多種簡單易用的特性，具有多種系統(tǒng)級優(yōu)勢，有助于降低信號鏈功耗，降低信號鏈復雜性，提高通道密度，同時還能提高性能水平。 本文將重點討論數據采集子系統(tǒng)性能和設計挑戰(zhàn)，說明該ADC系列如何在多個終端市場形成應用級影響。
常見的信號鏈設計難點
圖1顯示了在構建精密數據采集系統(tǒng)時使用的典型信號鏈。要求精密數據采集系統(tǒng)的應用（如自動化測試設備、機械自動化、工業(yè)和醫(yī)療儀器儀表）呈現出通常被認為在技術上相沖突的共同趨勢。例如，系統(tǒng)設計師被迫在性能上妥協(xié)，以維持緊張的系統(tǒng)功率預算，或者在電路板上保留較小的面積以實現高通道密度。這些精密數據采集信號鏈的系統(tǒng)設計師在多個方面面臨著共同的挑戰(zhàn)：驅動SAR ADC輸入；保護ADC輸入以使其免受過壓事件影響；用單電源降低系統(tǒng)功耗；用低功耗微控制器和/或數字隔離器實現更高的系統(tǒng)吞吐量等。
圖1. 典型的精密數據采集信號鏈受開關電容輸入結構影響，高分辨率精密SAR ADC的驅動一直是個棘手的問題。系統(tǒng)設計師需要密切關注ADC驅動器數據手冊，了解噪聲、失真、輸入/輸出電壓上裕量/下裕量、帶寬和建立時間等技術規(guī)格。一般地，采用的高速ADC驅動器需要具備寬帶寬、低噪聲和高功率等特征，以便在可用采集時間內建立SAR ADC輸入的開關電容反沖。這項要求會大幅減少用于驅動ADC的可用放大器選擇，不得不在性能/功率/面積方面進行大幅妥協(xié)。另外，選擇一款合適的RC濾波器置于驅動器與ADC輸入之間，這項要求又對放大器選擇和性能構成了進一步的限制。ADC驅動器輸出與SAR ADC輸入之間需要用RC濾波器來限制寬帶噪聲，減少電荷反沖的影響。一般情況下，系統(tǒng)設計師需要花費大量時間去評估信號鏈，確保所選ADC驅動器和RC濾波器能切實驅動ADC，以實現所需性能。
在功耗敏感型應用（如電池供電儀器儀表）中，通常需要用低壓單電源來運行系統(tǒng)。這雖然較大限度地降低了電路的功耗，但卻給放大器前端帶來了上裕量和下裕量問題。這意味著，可能無法使用ADC輸入的全部范圍，因為驅動放大器無法一直驅動到地，也無法一直驅動到ADC輸入范圍的上限，結果會降低整個系統(tǒng)的性能。這種情況可以通過提高電源電壓來彌補，但其代價是會增加功耗，或者造成系統(tǒng)的動態(tài)范圍性能下降。
多數ADC模擬輸入（IN+和IN?）除ESD保護二極管以外沒有過壓保護電路。在放大器電軌大于VREF且小于地的應用中，輸出有可能超過器件的輸入電壓范圍。在過壓事件中，兩個連接REF的模擬輸入（IN+或IN?）引腳之間的ESD保護二極管正向偏置連接REF的輸入引腳并使其短路，有可能使基準電壓源過載，導致器件損毀，或者干擾在多個ADC之間共用的基準電壓源。結果就需要為ADC輸入添加肖特基二極管一類的保護電路，避免過壓條件損害ADC。不幸的是，肖特基二極管可能會因漏電流而增加失真及其他誤差。
精密應用在連接ADC的處理器方面有著不同的需求。出于安全考慮，有些應用需要使用電氣隔離機制，并在ADC與處理器之間使用數字隔離器來實現這個目的。這種處理器選擇和隔離需求對用于連接ADC的數字接口的效率形成了限制。一般地，低端處理器/FPGA或低功耗微控制器都擁有較低的串行時鐘速率。這可能導致ADC的吞吐量低于預期，因為在輸出轉換結果之前存在較長的ADC轉換延時。數字隔離器也可能限制在隔離柵上可以實現的最大串行時鐘速率，因為隔離器中的傳播延遲會限制ADC吞吐量。在這些情況下，最好使用既可實現更高吞吐速率，又無需大幅增加串行時鐘速率的ADC。
AD4000/AD4003精密SAR ADC
AD4000/AD4003系列是基于SAR架構的快速、低功耗、單電源、16位/18位精密ADC， 將高性能與簡單易用的特性獨特地結合在一起，可以降低系統(tǒng)復雜性，簡化信號鏈BOM，并大幅縮短上市時間（見圖2）。借助該系列，設計師可以解決精密數據采集系統(tǒng)的系統(tǒng)級技術挑戰(zhàn)，并且無需做出重大折衷。例如，留給用戶更長的采集時間、高輸入阻抗(Z)模式和跨度壓縮模式等特性在AD4000/AD4003 ADC系列中的結合可以減少與ADC驅動器級設計相關的挑戰(zhàn)，增加ADC驅動器選擇的靈活性。這樣就可以降低系統(tǒng)總功耗，提高密度，縮短客戶設計周期。通過SPI接口寫入配置寄存器，可以使能/禁用多數簡單易用的特性。注意，AD4000/AD4003 ADC系列與10引腳AD798x/AD769x ADC系列引腳兼容。
圖2. AD4000/AD4003 ADC的主要優(yōu)勢
長采集階段
AD4000/AD4003 ADC擁有更短的轉換時間290 ns，ADC會在當前轉換過程結束前100 ns返回采集階段。SAR ADC周期時間由轉換階段和采集階段構成。在轉換階段，ADC電容DAC與ADC輸入斷開，以執(zhí)行SAR轉換。輸入在采集階段重新連接，ADC驅動器必須在下一個轉換階段開始之前將輸入建立至正確的電壓。較長的采集階段可以降低對驅動放大器的建立要求，并且允許較低的RC濾波器截止頻率，這意味著可以使用噪聲較高且/或功率/帶寬較低的放大器?？梢栽赗C濾波器中使用較大的R值和較小的對應C值，減少放大器穩(wěn)定性問題，同時也不會大幅影響失真性能。較大的R值有助于在過壓條件下保護ADC輸入；同時還能降低放大器中的動態(tài)功耗。
高輸入阻抗模式
為了達到高分辨率精密SAR ADC數據手冊中列示的優(yōu)質性能，系統(tǒng)設計師通常不得不使用專用的高功率、高速放大器來驅動其精密應用中的傳統(tǒng)型開關電容SAR ADC輸入。這是在精密數據采集信號鏈設計中經常遇到的難點之一。高Z模式的優(yōu)勢在于，能在慢速(<10 kHz)或直流類信號條件下支持低輸入電流，并且可在高達100 kHz的輸入頻率范圍內實現更高的失真(THD)性能。
AD4000/AD4003 ADC集成了一個高Z模式，在采集開始時，可以在電容DAC切換回輸入時減少非線性電荷反沖。在使能高Z模式時，電容DAC在轉換結束時充電，以保持上次采樣的電壓。這一過程可以減少轉換過程的任何非線性電荷效應，該效應會影響到下次采樣前在ADC輸入端采集的電壓。
圖3所示為AD4000/AD4003 ADC在高Z模式使能/禁用時的輸入電流。低輸入電流使ADC比市場上現有的傳統(tǒng)SAR ADC更易驅動，即便是在高Z模式禁用的情況下。如果將圖3中高Z模式禁用時的輸入電流與上一代AD7982 ADC的輸入電流進行比較，則會發(fā)現，AD4003已經將1 MSPS條件下的輸入電流降低了4倍。高Z模式使能時，輸入電流進一步降至次微安級。在輸入頻率超過100 kHz時，或者在多路復用輸入時，應禁用高Z模式。
借助AD4000/AD4003 ADC降低的輸入電流，就能以比傳統(tǒng)SAR高得多的源阻抗來驅動。這意味著，RC濾波器中的電阻值可以比傳統(tǒng)SAR設計大10倍。
圖3. 在高Z使能/禁用條件下的AD4003 ADC輸入電流與輸入差分電壓如圖4所示，AD4000/AD4003 ADC允許用帶較低截止頻率的RC濾波器的多種低功率/帶寬精密放大器來驅動ADC，消除了使用專用高速ADC驅動器的必要性，并且可以降低精密低帶寬應用（信號帶寬<10 kHz）的系統(tǒng)功耗、尺寸和成本。最終，AD4000/AD4003允許基于目標信號帶寬，而非基于開關電容SAR ADC輸入的建立要求來選擇ADC之前的放大器和RC濾波器。
圖4. 傳統(tǒng)精密信號鏈圖5和圖6所示為AD4003 ADC的SNR和THD性能，其中，在使能/禁用高Z及各種不同RC濾波器值的情況下，以2 MSPS的全速吞吐量驅動AD4003 ADC時，使用的是ADA4077 (IQUIESCENT = 400 μA/放大器)， ADA4084 (I QUIESCENT = 600 μA/放大器)，
ADA4610 (I QUIESCENT = 1.5 mA/放大器) 精密放大器。在2.27 MHz RC帶寬和1 kHz輸入信號條件下使能高Z時，這些放大器可實現96 dB至99 dB的典型SNR以及優(yōu)于–110 dB的典型THD。在使能高Z模式時，甚至在R值大于200 Ω時，THD約改善了10 dB。即使在超低RC濾波器截止頻率條件下，最高SNR也接近99 dB。
在使能高Z時，ADC消耗約2 mW/MSPS的額外功耗，但這仍然顯著低于使用ADA4807-1 一類的專用ADC驅動器時的功耗，從而可以節(jié)省PCB電路板面積和物料成本。對于多數系統(tǒng)，前端通常會限制信號鏈可以實現的整體交流/直流性能。從圖5和圖6所選的精密放大器數據手冊中可以看出，精密放大器自身的噪聲和失真性能在某個輸入頻率下主導著SNR和THD規(guī)格。然而，帶高Z模式的AD4003 ADC可以極大地增加驅動器放大器的選擇，包括信號調理級中使用的精密放大器，同時還可提高RC濾波器選擇的靈活性。例如，當AD4003 ADC的高Z使能并配合 ADA4084-2 驅動器放大器使用一個4.42 MHz寬帶輸入濾波器時，SNR性能約為95 dB。如果用498 kHz濾波器對ADC驅動器噪聲進行強力濾波，SNR可提升3 dB，至98 dB。AD7982 ADC在較低RC截止頻率下的SNR性能下降是因為該ADC輸入未在較短的采集時間內消除反沖。
圖5. 使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器時的SNR與RC帶寬
圖6. 使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器時的THD與RC帶寬圖7(a)表明，系統(tǒng)設計師可以使用功率低2.5倍的ADC驅動器ADA4077（相比ADA4807），在高Z模式禁用時，AD4003 ADC仍然能取得約97 dB的SINAD（比AD7982 ADC高3 dB）。即使RC帶寬增加至2.9MHz，ADA4077放大器也無法直接驅動AD7982 ADC并取得優(yōu)質性能。如果用較低的RC帶寬截止頻率強力濾波，驅動器無法在可用采集時間內消除ADC反沖，ADC SINAD性能因而下降。在禁用或使能高Z模式時，AD4003 ADC的開關電容反沖大幅縮減，在1 MSPS時的采集時間長2.5倍，因此，其SINAD性能仍然大幅優(yōu)于AD7982 ADC。
在使能高Z模式時，在較低RC濾波器截止頻率下使用兩個ADC驅動器，AD4003 ADC的SINAD性能較好，這有助于在目標信號寬帶較低時，消除更多來自上游信號鏈組件的寬帶噪聲。在不使能高Z模式時，RC濾波器截止頻率與SINAD性能之前存在折衷。
圖7. 使用ADA4077和ADA4807時AD4003 ADC和AD7982 ADC放大器驅動器的比較：在禁用和使能高Z模式時的SINAD與RC帶寬(F S = 1 MSPS, f IN = 1 kHz)。
跨度壓縮
AD4000/AD4003 ADC集成了一個跨度壓縮模式，對僅用一個單電源為SAR ADC驅動器供電的系統(tǒng)非常有用。該模式可以消除ADC驅動器對負電源的要求，同時還能維持ADC的全分辨率，減少功耗，降低電源設計復雜程度。如圖8所示，ADC可執(zhí)行數字縮放功能，映射從0 V至0.1 V × VREF的零電平代碼，以及從VREF至0.9 × VREF的滿量程代碼。在減小的輸入范圍內，AD4000/AD4003 ADC的SNR約為~1.9dB (20*log(4/5))。舉例來說，對于采用5 V單電源且典型基準電壓為4.096 V的子系統(tǒng)，滿量程輸入范圍為~0.41 V至3.69 V，為驅動放大器提供了充足的裕量。
圖8. AD4000/AD4003 ADC跨度壓縮工作模式
過壓箝位
在放大器電軌大于VREF且小于地電壓的應用中，輸出可以超出器件的輸入電壓范圍。當正輸入超過范圍時，電流通過D1流入REF（見圖9），對基準電壓源形成干擾。甚至更加糟糕的是，可能將基準電壓源拉高至絕對最大基準值的水平，因而可能損壞器件。
當模擬輸入超過基準電壓~400 mV時，AD4000/AD4003 ADC的內部箝位電路將開啟，電流將通過箝位流入地，防止輸入進一步升高而可能損壞器件。
圖9. AD4003 ADC等效模擬輸入電路如圖9所示，AD4000/AD4003 ADC的內部過壓箝位電路有一個較大的外部電阻(REXT = 200Ω)，可以消除外部保護二極管的必要性（并由此消除額外電路板空間的必要性）。箝位在D1之前開啟，其最大吸電流能力為50 mA。箝位電路通過將輸入電壓箝位在安全工作范圍中來防止器件損壞，同時避免對基準電壓源造成干擾，這對在多個ADC之間共用基準電壓源的系統(tǒng)來說尤其重要。
高效數字接口
AD4000/AD4003 ADC有一個靈活的數字串行接口，有七種不同的模式，并且具有寄存器編程能力。其Turbo模式允許用戶在ADC仍在轉換時開始輸出上次轉換的結果，如圖10所示。短轉換時間和Turbo模式相結合，可實現較低的SPI時鐘速率，簡化隔離解決方案，降低數字隔離器的延遲要求，增加處理器選擇，包括低端處理器/FPGA或者串行時鐘速率相對低的低功耗微控制器。例如，運行于1 MSPS時，AD4003 ADC可以使用比AD7982 ADC慢2.5倍的SPI時鐘速率（25 MHz相比于66 MHz）。用戶可以寫/讀回寄存器位，以使能AD4000/AD4003 ADC簡單易用的特性，可以在轉換結果上附加一個6位的狀態(tài)字，實現診斷和寄存器讀回。串行接口規(guī)格完全支持低至1.8 V的邏輯電平，可以在這些條件下實現2 MSPS全速吞吐量。使能Turbo模式時，要在2 MSPS條件下運行AD4003 ADC，需要的最低SCK速率為75 MHz。
圖10. AD4003 ADC的Turbo工作模式AD4000/AD4003 ADC性能
AD4000/AD4003 ADC采用1.8 V工作電壓，在2 MSPS下的典型功耗為14 mW/16 mW，線性度非常出色，最大值為±1.0 LSB (±3.8 ppm)，保證18位無失碼。圖11所示為AD4003 ADC的典型INL與代碼性能。AD4003 ADC可在高達奈奎斯特的超寬輸入頻率范圍內實現比AD7982 ADC更出色的SINAD性能（圖12），使系統(tǒng)設計師能開發(fā)出帶寬更寬、精度更高的儀器儀表設備。AD4000/AD4003 ADC采用小型10引腳封裝（提供3 mm × 3 mm LFCSP和3 mm × 5 mm MSOP兩種選項），與AD798x/AD769x ADC系列引腳兼容。
圖11. AD4003 ADC INL與代碼的關系
圖12. AD4003 ADC和AD7982 ADC SINAD與輸入頻率的關系AD4000/AD4003 ADC在每個轉換階段結束時自動關斷；因此，其功耗和吞吐量呈線性變化關系，如圖13所示。這一特性使得該器件非常適合低采樣速率（甚至低至幾赫茲）和電池供電的便攜式和可穿戴式系統(tǒng)。即使在低占空比應用中，第一個轉換結果也始終有效。
圖13. AD4003 ADC功耗與吞吐量的關系
系統(tǒng)應用
AD4000/AD4003 ADC系列集簡單易用的特性、高性能、小尺寸和低功耗等特點于一身，是諸多精密控制和測量系統(tǒng)應用的理想選擇，如圖14所示。AD4000/AD4003 ADC可以降低測量不確定性，提高可重復性，支持高通道密度，并能提高自動化測試設備、自動化機械控制設備和醫(yī)療成像設備的吞吐效率。這款ADC非常適合需要更高頻率性能以捕獲快速瞬變和飛行時間信息的系統(tǒng)，比如功率分析儀、質譜儀等應用。
圖14. AD4000/AD4003 ADC終端系統(tǒng)應用借助AD4000/AD4003 ADC系列，設計師可以解決精密數據采集系統(tǒng)的系統(tǒng)級技術挑戰(zhàn)，無需做出重大折衷，還能縮短整個系統(tǒng)的設計時間。AD4000/AD4003 ADC的高性能可以提高測量精度，其小尺寸和低系統(tǒng)級散熱則可實現更高的密度。
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