CN0255: 16 位、100 kSPS 单电源低功耗数据采集系统

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概览

电路笔记PDF, 04/2014 (pdf, 352 kB)
下载英文版PDF, 12/2013 (pdf,  325kB)
优势和特点
  • 16位、100KSPS数据采集
  • 单电源
  • 总功耗8mW
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
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评估硬件
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评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-CN0255-SDPZ ($ 79.00) A Complete Single-Supply, 16-Bit, 100 kSPS PulSAR ADC System Dissipates 8 mW
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board
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电路功能与优势

大多数系统中,需要在性能与低功耗之间进行权衡。本电路设计的重点是考察部分权衡因素,同时在16位、100 kSPS数据采集系统中实现低功耗(8 mW,典型值)和高性能。

本电路使用 AD7988-1低功耗(350 μA) PulSAR®模数转换器(ADC),该器件直接从 ADA4841-1 高性能、低电压、低功耗运算放大器驱动。选择该放大器是因为它具有极佳的动态性能,可采用单电源电压供电且提供轨到轨输出。此外,输入共模电压范围包括负供电轨。

AD7988-1 ADC需要2.4 V至5.1 V间的外部基准电压。本应用中,选择的基准电压是 ADR4525 精密2.5 V基准电压源。

图1. 基本单端、低电压、低功耗、16位、100 kSPS ADC解决方案

电路描述

本电路的核心是 AD7988-1 16位、100 kSPS逐次逼近型ADC,采用VDD单电源供电。它内置一个低功耗、高速、16位采样ADC和一个多功能串行端口接口(SPI)。在CNV上升沿,该器件对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样,范围从0 V至REF。基准电压(REF)由外部提供,并且可以独立于电源电压(VDD)。

在为本电路笔记执行的实验中, AD7988-1 评估板与系统演示平台(SDP, EVAL-SDP-CB1Z)接口,ADC SPI兼容串行接口则连接到DSP SPORT接口。ADC SPI接口能够将几个ADC以菊花链形式连结到单三线式总线上。采用独立VIO电源引脚时,它与1.8 V、2.5 V、3 V或5 V逻辑兼容。

AD7988-1 采用10引脚MSOP或10引脚QFN (LFCSP)封装。为方便起见,该电路板采用MSOP封装。

ADC输入从 ADA4841-1单位增益稳定、低噪声和低失真、轨到轨输出放大器进行缓冲和驱动,该器件通常在1.1 mA的静态电流下工作。此放大器提供2.1 nV/√Hz的低宽带电压噪声和1.4 pA/√Hz的电流噪声,100 kHz时具有极佳的−105 dBc无杂散动态范围(SFDR)。为了在更低频率下保持低噪声环境,10 Hz时放大器具有7 nV/√Hz和13 pA/√Hz的低1/f噪声。

使 ADA4841-1非常适合单电源应用的主要特性是,它在该应用中可以采用单供电轨供电,同时将可负供电轨接地。放大器输出摆幅可以达到地电平的50 mV范围内,这是本应用可接受的值。请注意,输入共模电压范围从负供电轨扩展至正供电轨的1 V范围内。为容纳目标信号范围(0 V至2.5 V),必须提供1 V裕量;因此本电路中使用4 V供电轨。 ADA4841-1 采用6引脚SOT-23或8引脚SOIC封装。

本应用中使用的2.5 V基准电压源是 ADR4525 ,属于 ADR45xx 基准电压源系列,可以提供高精度、低功耗、低噪声,且具有±0.01%初始精度、极佳的温度稳定性和低输出噪声。 ADR4525 的低热致输出电压迟滞和低长期输出电压漂移提高了系统性能。700 μA的最大工作电流和500 mV的低压差(最大值)使该器件最适合便携式设备。

用于本电路中的三个产品的额定工作温度范围均为−40°C至+125°C全工业温度范围。

性能预期

由于功耗在本应用中是关键,有必要分析每个元件的贡献,以确保在众多可用产品中选择适当的器件。第一步是查看三个选定器件的不同电源电流。

表1中显示了为每个贡献元件计算和测得的典型电源电流。ADC数字接口的VIO电源可以忽略不计,因此不包括在内。测得电流与计算值的比较非常有利;无源元件可能引起小差异,使电源电流略不同于典型数据手册规格。

表1. 计算和测得的电源电流贡献

加载 描述 计算 测量通道
电源电流 电源电压 功耗 电源电流 电源电压 功耗
ADC AD7988-1 150 µA 2.5 V 375 µW 148 µA 2.5 V 370 µW
驱动器 ADA4841-1 1.1 mA 4 V 4.4 mW 1.95 mA 4 V 7.8 mW
基准电压源 ADR4525 700 µA 4 V 2.8 mW
基准负载 ADC基准电流 60 µA 4 V 240 µW
总计 7.81 mW 8.17 mW

使用低值基准电压时, AD7988-1 ADC的交流性能会有所下降。图2中显示了这一性能下降,其中信噪比、信纳比(SINAD)和有效位数(ENOB)均显示为基准电压的函数。请注意,对于2.5 V基准电压,预计SNR性能约为86 dB至87 dB。

图2. AD7988-1 ADC SNR、SINAD和ENOB与基准电压的关系

电路测量结果如图3所示。86.17 dB的SNR性能与2.5 V基准电压的预计效果相当,如上文图2所示。

图3. 在10 kHz输入音下测得的100 kSPS采样速率的交流性能,SNR = 86.17 dB

常见变化

PulSAR®系列的其它引脚兼容16位ADC提供更高的采样速率: AD7988-5 (500 kSPS)、 AD7980 (1 MSPS)和 AD7983 (1.33 MSPS)。请注意,采样速率越高,功耗越高。或者,如果需要更高的分辨率,合适的引脚兼容器件有 AD7691 (18位,250 kSPS)、 AD7690 (18-bit, 400 kSPS), AD7982 (18位,1 MSPS差分输入)、 AD7984 (18位,1.33 MSPS)。

对于更高的输入电压范围,请为基准电压源和ADC驱动器选择更高的基准电压和更高的电压供电轨。

图4中显示了 AD7988-5 (16位,500 kSPS)ADC在相似条件下的动态性能;不过采样速率为500 kSPS。SNR等于86.37dB。

使用500 kSPS AD7988-5 ADC在10 kHz输入音下测得的500 kSPS采样速率的交流性能,SNR = 86.37 dB

添加输入共模电压偏置放大器

在交流耦合应用中,输入信号必须偏置,以便使其位于ADC输入范围(2.5 V基准电压为0 V至2.5 V)的中心。图5所示电路解决了此共模信号要求。

许多放大器在此应用中可用于缓冲目的。 AD8031 是一款单电源电压反馈型放大器,具有高速性能,小信号带宽为80 MHz,压摆率为30 V/µs,建立时间为125 ns。该放大器为带容性负载的单位增益稳定型放大器,采用3.3 V单电源时功耗低于2.5 mW。 AD8031 采用5引脚SOT-23、8引脚SOIC、8引脚PDIP和8引脚MSOP封装。在此电路中, AD8031 用于缓冲到达分压器的2.5 V基准电压,该分压器为 ADA4841-1的输入提供所需的1.25 V共模电压。表2中显示了缓冲器使用的额外功率。

图5. 增强型电路,包括共模缓冲器,用于在交流耦合应用中确定输入电压范围的中心

表2. 计算的电源电流贡献,包括VCM缓冲器( AD8031)

加载 描述 电源电流 电源电压 功耗
ADC AD7988-1 150 µA 2.5V 375 µW
驱动器 ADA4841-1 1.1 mA 4V 4.4 mW
基准电压源 ADR4525 600 µA 4V 2.4 mW
VCM缓冲器 AD8031 750 µA 4 V 3 mW
总计 10.17 mW

图6. 增强型电路,包括共模和基准电压缓冲器

添加基准电压缓冲器

在不同电路共享基准电压源的应用中,可能需要缓冲基准电压以确保最佳性能。本实例中,使用 AD8032 AD8031 的双通道版本)非常有效,如图6所示。如果缓冲ADC基准输入,去耦值可降低至尽可能靠近该器件的10 μF陶瓷芯片电容。

图7和图8分别显示了 AD7988-1 AD7988-5的性能,同时使用 AD8032 放大器建立VCM电平并缓冲基准电压,如图6所示。此电路实施于 EVAL-CN0255-SDPZ 评估板上。

图7.AD7988-1在10 KHZ输入音下测得的交流性能,采样速率100 KSPS
图8.针对类似配置,使用500 KSPSAD7988-5在10 KHZ输入音下测得的交流性能

电路评估与测试

设备要求(可以用同等设备代替)

  • EVAL-CN0255-SDPZ
  • 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。
  • 电源,2.5 V及4 V
  • 带USB端口的PC、USB电缆,安装10引脚PulSAR软件

设置与测试

交流性能测量设置的功能框图如图9所示。将2.5 V和4 V电 源连接至评估板电源引脚。

为了测量频率响应,按照图9所示连接设备。将Audio PrecisionSYS-2522信号发生器设置为10 kHz频率和2.5Vp-p正 弦波,并具有1.25V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。

图9.用于测量交流性能的电路测试设置

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7988-1 16位、100 ksps超低功耗16位SAR ADC AD7988-1BRMZ AD7988-1BCPZ-RL7
ADA4841-1 低功耗、低噪声、低失真、轨到轨输出放大器 ADA4841-1YRZ ADA4841-1YRJZ-R7
ADR4525 超低噪声、高精度2.5V基准电压源 ADR4525BRZ ADR4525ARZ
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-CN0255-SDPZ A Complete Single-Supply, 16-Bit, 100 kSPS PulSAR ADC System Dissipates 8 mW $ 79.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board $ 99.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
沪ICP备09046653号
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