CN0180: 用于工业级信号的精密单电源差分ADC驱动器

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概览

电路笔记PDF, 11/2010 (pdf, 395 kB)
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优势和特点
  • 最高为+/- 10V的工业输入电压电平
  • 与18位SAR转换器之间采用单端至差分接口
  • 低功耗,总功耗低于22mW
  • 5V单电源供电轨
此电路中所用产品
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统
  • 电子测试和测量
设计资源
设计和集成文件
  • 原理图
  • 物料清单
  • Gerber 文件
  • PAD 文件
  • 装配图
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电路功能与优势

标准单端工业信号电平(±5 V、±10 V或0 V至+10 V)与现代高性能16位或18位单电源SAR型ADC的差分输入范围并不直接兼容,需要使用适当的接口驱动电路对工业信号进行衰减、电平转换和差分转换,使其具有与ADC输入要求相匹配的正确幅度和共模电压。虽然可以利用电阻网络和双通道运放来设计适当的接口电路,但电阻的比率匹配误差和放大器之间的误差会形成最终输出端的误差。特别是在低功耗水平上,实现所需的输出相位匹配和建立时间可能非常困难。

图1所示电路采用差分放大器 AD8475 执行衰减、电平转换和差分转换,无需任何外部元件。其交流和直流性能兼容18位、1 MSPSAD7982 PulSAR® ADC以及该系列的其它16/18位产品,采样速率可高达4 MSPS。

AD8475是一款全差分衰减放大器,集成精密薄膜增益设置电阻,可提供精密衰减(0.4×或0.8×)、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。采用5 V单电源供电时,其功耗仅为15 mW。18位、1 MSPS AD7982的功耗仅为7 mW,比竞争产品低30倍。该组合的总功耗仅为22 mW。

图1. 单端转差分ADC驱动器(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

采用5 V单电源供电时,衰减放大器AD8475和18位差分ADC AD7982可以在高精度模拟前端系统中用于处理大电压信号。

AD8475通过其集成的精密调整电阻,将输入信号衰减0.4倍。采用5 V单电源时,它支持高达25 V峰峰值的电压。在低频时,差分轨到轨输出仅需50 mV的裕量。AD8475可以由真差分输入驱动,或者由单端输入驱动并提供单端差分转换,如图1所示。

AD8475与ADC之间的RC网络构成一个单极点滤波器,可降低不良混叠效应和高频噪声。该滤波器的共模带宽为29.5 MHz(20 Ω、270 pF),差分带宽为3.1 MHz(40 Ω、1.3 nF)。

AD7982是一款18位、逐次逼近(SAR)型ADC,采用单电源(VDD)供电。I/O接口电压VIO可以在1.8 V至5 V范围内设置,取决于接口逻辑电源。AD7892具有真差分输入端,支持高达±VREF 的电压。ADR435 是一款5 V、低噪声(8 μV峰峰值,0.1 Hz至10 Hz)、高精度(B级为±2 mV)基准电压源,用于提供AD7982的REF电压和差分驱动器AD8475的电源电压。

两个连接到ADR435输出端的10 kΩ电阻构成一个分压器,用于设置AD8475输出端的2.5 V共模电压(VOCM)。这使得输入差分信号以最佳共模输入电压为中心,从而最大化ADC的动态范围。

对于20 V峰峰值单端输入信号,各差分输出端产生一个摆幅为+0.5 V至+4.5 V、180°反相的信号。

将一个20 kHz、20 V峰峰值信号输入AD8475时,最终SNR为96.3 dBFS,THD为−112.3 dBFS;这两个参数均参考AD7982的满量程范围,如图2的FFT图所示。

FFT图下方表格所示的信号电平是在AD7982的输入端测得。此点的满量程范围为10 V峰峰值差分,反映到AD8475的输入端为25 V峰峰值。输入测试信号为20 V峰峰值,所产生的信号比ADC的满量程输入低2 dB。

图2. 20 kHz信号的FFT图,比满量程低2 dB,采样频率1 MSPS

注意在这些条件下,AD8475各输出端的摆幅为供电轨的±500 mV范围,由于它为轨到轨输出结构,因此仍能实现出色的失真性能。

此电路已利用AD8475评估板(EVAL-AD8475Z)和ADI公司的PulSAR评估板及软件进行过测试。EVAL-AD8475Z是一款客户评估板,旨在简化对AD8475性能和功能的独立测试。该评估板还能结合ADI公司的任何SAR转换器进行快速测试,其输出连接器能够直接与PulSAR评估板 (EVAL-AD76xx-CBZ) 的模拟输入连接器(SMB)相连。ADC转换器评估和开发板 (EVAL-CED1Z) 将该设置通过USB连接到一台PC,如图3所示。

AD8475的输入信号由Audio Precision® AP2700源提供。基于LabVIEW®的PulSAR评估软件可以用来控制Audio Precision输入信号,还能用来监控ADC的输入端和输出端。

图3. SAR ADC转换器评估平台。注意:AD8475差分放大器评估板连接到PulSAR ADC评估板的SMB模拟输入连接器

常见变化

经验证,采用图中所示的元件值,该电路能够稳定地工作,并具有良好的精度。可以使用ADI公司的其它模数转换器代替AD7982,以实现所需的最高性能。AD8475最高能够驱动18位、4 MSPS的ADC,性能下降幅度极小。采样速率较快的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也可以直接用来驱动单端或伪差分输入ADC。可以将AD8475的轨到轨输出端驱动到各供电轨的0.5 V范围内,而不会引起交流性能的明显下降。

通过驱动IN 0.8×输入端,AD8475也能提供0.8倍的差分衰减。其电源电压非常灵活,既可以采用3 V至10 V单电源供电,也可以采用最高±5 V的双电源供电。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7982 18位、1 MSPS PulSAR® 7.0 mW ADC,采用MSOP或QFN封装 AD7982BRMZ AD7982BCPZ-RL7
AD8475 精密、可选增益、全差分漏斗放大器 AD8475ACPZ-R7 AD8475BRMZ AD8475ARMZ
ADR435 超低噪声、5.0V XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR435BRMZ-R7
沪ICP备09046653号
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