CN0306

针对高达 1 kHz 低于奈奎斯特频率输入信号优化的16 位、100 kSPS 低功耗数据采集系统
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电路功能与优势

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图1中的电路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模数转换器 (ADC)系统,集成驱动放大器,针对最高1 kHz输入信号和 100 kSPS采样速率、功耗低至7.35 mW的系统而优化。

 

通常,选择高性能逐次逼近型ADC的驱动放大器处理宽范 围的输入频率。然而,当某个应用需要更低的采样速率 时,便可节省大量功耗,因为降低采样速率会相应地降低 ADC功耗。

 

若要完全利用通过降低ADC采样速率使功耗下降的优势, 则需要使用低带宽、低功耗放大器。

 

 例如,推荐80 MHz的ADA4841-1 运算放大器(10 V时功耗为 12 mW)与AD7988-1 16位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC(100 kSPS时功耗为0.7 mW)一同使用。包括ADR435 基准电压源 (7.5 V时功耗为4.65 mW)在内的总系统功耗在100 kSPS时为 17.35 mW。

 

对于最高1 kHz的输入带宽和100 kSPS的采样速率,AD8641 3 MHz运算放大器(10 V时功耗为2 mW)可提供出色的信噪 比(SNR)和总谐波失真(THD)性能,并且在100 kSPS时可将 总系统功耗从17.35 mW降低至7.35 mW,降幅达58%。


图1. 使用AD8641低功耗放大器驱动AD7988-1 ADC的系统电路图(原理示意图:未显示所有连接)

电路描述

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该电路包含AD7988-1 ADC、AD8641放大器和ADR435基准电压源。AD7988-1是一款16位、100 kSPS SAR DC ,其低功耗可随采样速率调整,100 kSPS时功耗为0.7 mW。除了低功耗,它还具有业界领先的交流性能:SNR = 91 dB,THD = −114 dBc。

驱动放大器采用AD8641低功耗、精密器件,其电源电流为200 A,增益带宽积为3 MHz。AD8641可采用5 V至26 V的电源供电。ADC的基准电压源采用ADR435,这是一款高精度、低噪声、5 V XFET基准电压源。低电源电流(620 A)时,ADR435具有极低的温度系数(3 ppm/°C)。100 kSPS时,本电路的总功耗为7.35 mW。信噪比(SNR)为88.5 dBFS,总谐波失真(THD)为-103 dBc,输入频率最高为1 kHz。

AD8641配置为单位增益缓冲器,并且它与AD7988-1之间有一个截止频率为93 kHz的RC滤波器(634 ,2.7 nF) 。滤波器允许使用诸如AD8641等噪声更高的放大器,在28 nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。与ADC的规格相比,以更高的噪声换取更低功耗的代价仅是系统的信噪比(SNR)性能下降了2.5 dB。相对于数据手册中推荐的数值(20 ),更高的R值(634 )表示AD8641可以驱动2.7 nF的大容量输入电容。更高的R值可将最大输入带宽限制为1 kHz,使得失真较低。

对于最高1 kHz的输入,这与AD8641的16位失真性能(THD低于−100 dBc)差不多。超过1 kHz会加剧失真,因此不建议在更高的输入频率下使用该电路,而由于较长的建立时间,亦不建议在多路复用器应用中使用该放大器。注意,相对于正电源电压而言,AD8641需要至少2 V的输入裕量。输出级以轨到轨方式工作。


性能结果


本电路的目的是在最高1 kHz的给定输入频率范围、100 kSPS的采样速率情况下,以尽可能最低的ADC驱动器功耗水平提供良好的交流性能。图2显示1 kHz输入信号下的电路性能FFT图。信噪比(SNR)为88.5 dB,总谐波失真(THD)为−103 dB。相比91 dB的规格,AD7988-1信噪比(SNR)下降的主要原因是AD8641具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz更高的噪声,为28 nV/√Hz。总系统功耗为7.35 mW,其中:ADC为0.7 mW,放大器为2 mW,基准电压源为4.65 mW。这说明相对于ADA4841-1的12 mW,它可降低58%的功耗,总系统功耗为17.35 mW。


图2. 使用AD8641放大器驱动AD7988-1的系统电路性能


图3显示系统总谐波失真(THD)以及信噪比(SNR)如何随着输入频率超过~1 kHz而下降。这是由于放大器失真导致的,可从图4中的总谐波失真加噪声(THD+N)与频率的关系曲线看出。


图3. AD8641放大器驱动AD7988-1时,总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)与输入频率的关系


图4. AD8641放大器的总谐波失真加噪声(THD+N)与输入频率的关系

常见变化

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AD8641 放大器可用于驱动高速、引脚兼容型ADC,如AD7988-5 AD7980,但仅在不超过100 kSPS的较低采样速率下才有效。 OP1177放大器能够以双倍的电流(400 A)驱动AD7988-1,在4 kHz以下具有更佳的失真性能;并且由于噪声更低,从而信噪比(SNR)也更佳(90 dB)。

电路评估与测试

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设备要求(可以用同等设备代替)

需要以下设备:

  • EVAL-CN0306-SDPZ 评估板
  • 系统演示板(EVAL-SDP-CB1Z)
  • 函数发生器/信号源,例如这些测试中使用的Audio Precision SYS-2522
  • 评估板自带的9 V壁式电源
  • 带USB端口的PC、USB电缆,并且已安装10引脚PulSAR 软件


设置并测试

 

从ADI网站的AD7988-1产品页面下载10引脚PulSAR软件, 并使用UG-340用户指南中的安装指南进行安装。其测量配 置的功能框图如图5所示。

 

将9 V壁式电源连接至评估板电源引脚。若要测量频率响 应,设备应按图5所示进行连接。将Audio Precision SYS-2522 信号发生器设置为1 kHz频率和5 V p-p正弦波,并具有2.5 V 直流漂移。使用评估板软件记录数据。软件分析是评估板 软件的一部分,使用户可以采集并分析直流和交流性能。 该软件及其特性见UG-340用户指南。


样片申请及购买

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产品

描述

可提供样片的
产品型号

ADR435 超低噪声、5.0V XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力

ADR435ARMZ

ADR435ARZ

ADR435TRZ-EP

AD7988-1 16位、100 ksps超低功耗16位SAR ADC

AD7988-1BCPZ-RL7

AD7988-1BRMZ

AD8641 低功耗、轨到轨输出、精密JFET放大器,采用5引脚SC70和8引脚SOIC无铅封装

AD8641AKSZ-REEL7

AD8641ARZ

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