用于工業(yè)級信號的精密單電源差分ADC驅(qū)動器 (CN0180)

標準單端工業(yè)信號電平（±5 V、±10 V或0 V至+10 V）與現(xiàn)代高性能16位或18位單電源SAR型ADC的差分輸入范圍并不直接兼容，需要使用適當(dāng)?shù)慕涌隍?qū)動電路對工業(yè)信號進行衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換，使其具有與ADC輸入要求相匹配的正確幅度和共模電壓。雖然可以利用電阻網(wǎng)絡(luò)和雙通道運放來設(shè)計適當(dāng)?shù)慕涌陔娐罚娮璧谋嚷势ヅ湔`差和放大器之間的誤差會形成最終輸出端的誤差。特別是在低功耗水平上，實現(xiàn)所需的輸出相位匹配和建立時間可能非常困難。

圖1所示電路采用差分放大器 AD8475 執(zhí)行衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換，無需任何外部元件。其交流和直流性能兼容18位、1 MSPSAD7982 PulSAR? ADC以及該系列的其它16/18位產(chǎn)品，采樣速率可高達4 MSPS。

AD8475是一款全差分衰減放大器，集成精密薄膜增益設(shè)置電阻，可提供精密衰減（0.4×或0.8×）、共模電平轉(zhuǎn)換、單端差分轉(zhuǎn)換及輸入過壓保護等功能。采用5 V單電源供電時，其功耗僅為15 mW。18位、1 MSPS AD7982的功耗僅為7 mW，比競爭產(chǎn)品低30倍。該組合的總功耗僅為22 mW。

圖1. 單端轉(zhuǎn)差分ADC驅(qū)動器（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

采用5 V單電源供電時，衰減放大器AD8475和18位差分ADC AD7982可以在高精度模擬前端系統(tǒng)中用于處理大電壓信號。

AD8475通過其集成的精密調(diào)整電阻，將輸入信號衰減0.4倍。采用5 V單電源時，它支持高達25 V峰峰值的電壓。在低頻時，差分軌到軌輸出僅需50 mV的裕量。AD8475可以由真差分輸入驅(qū)動，或者由單端輸入驅(qū)動并提供單端差分轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

AD8475與ADC之間的RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個單極點濾波器，可降低不良混疊效應(yīng)和高頻噪聲。該濾波器的共模帶寬為29.5 MHz（20 Ω、270 pF），差分帶寬為3.1 MHz（40 Ω、1.3 nF）。

AD7982是一款18位、逐次逼近(SAR)型ADC，采用單電源(VDD)供電。I/O接口電壓VIO可以在1.8 V至5 V范圍內(nèi)設(shè)置，取決于接口邏輯電源。AD7892具有真差分輸入端，支持高達±VREF 的電壓。ADR435 是一款5 V、低噪聲（8 μV峰峰值，0.1 Hz至10 Hz）、高精度（B級為±2 mV）基準電壓源，用于提供AD7982的REF電壓和差分驅(qū)動器AD8475的電源電壓。

兩個連接到ADR435輸出端的10 kΩ電阻構(gòu)成一個分壓器，用于設(shè)置AD8475輸出端的2.5 V共模電壓(VOCM)。這使得輸入差分信號以最佳共模輸入電壓為中心，從而最大化ADC的動態(tài)范圍。

對于20 V峰峰值單端輸入信號，各差分輸出端產(chǎn)生一個擺幅為+0.5 V至+4.5 V、180°反相的信號。

將一個20 kHz、20 V峰峰值信號輸入AD8475時，最終SNR為96.3 dBFS，THD為?112.3 dBFS；這兩個參數(shù)均參考AD7982的滿量程范圍，如圖2的FFT圖所示。

FFT圖下方表格所示的信號電平是在AD7982的輸入端測得。此點的滿量程范圍為10 V峰峰值差分，反映到AD8475的輸入端為25 V峰峰值。輸入測試信號為20 V峰峰值，所產(chǎn)生的信號比ADC的滿量程輸入低2 dB。

圖2. 20 kHz信號的FFT圖，比滿量程低2 dB，采樣頻率1 MSPS

注意在這些條件下，AD8475各輸出端的擺幅為供電軌的±500 mV范圍，由于它為軌到軌輸出結(jié)構(gòu)，因此仍能實現(xiàn)出色的失真性能。

此電路已利用AD8475評估板(EVAL-AD8475Z)和ADI公司的PulSAR評估板及軟件進行過測試。EVAL-AD8475Z是一款客戶評估板，旨在簡化對AD8475性能和功能的獨立測試。該評估板還能結(jié)合ADI公司的任何SAR轉(zhuǎn)換器進行快速測試，其輸出連接器能夠直接與PulSAR評估板 (EVAL-AD76xx-CBZ) 的模擬輸入連接器(SMB)相連。ADC轉(zhuǎn)換器評估和開發(fā)板 (EVAL-CED1Z) 將該設(shè)置通過USB連接到一臺PC，如圖3所示。

AD8475的輸入信號由Audio Precision? AP2700源提供。基于LabVIEW?的PulSAR評估軟件可以用來控制Audio Precision輸入信號，還能用來監(jiān)控ADC的輸入端和輸出端。

圖3. SAR ADC轉(zhuǎn)換器評估平臺。注意：AD8475差分放大器評估板連接到PulSAR ADC評估板的SMB模擬輸入連接器

經(jīng)驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度?？梢允褂肁DI公司的其它模數(shù)轉(zhuǎn)換器代替AD7982，以實現(xiàn)所需的最高性能。 AD8475最高能夠驅(qū)動18位、4 MSPS的ADC，性能下降幅度極小。采樣速率較快的18位ADC包括 AD7984 (1.33 MSPS)和 AD7986 (2 MSPS)。差分16位ADC包括 AD7688 (500 kSPS)和 AD7693 (500 kSPS)。

AD8475也可以直接用來驅(qū)動單端或偽差分輸入ADC?？梢詫D8475的軌到軌輸出端驅(qū)動到各供電軌的0.5 V范圍內(nèi)，而不會引起交流性能的明顯下降。

通過驅(qū)動IN 0.8×輸入端，AD8475也能提供0.8倍的差分衰減。其電源電壓非常靈活，既可以采用3 V至10 V單電源供電，也可以采用最高±5 V的雙電源供電。