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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概览

电路笔记PDF, 04/2014 (pdf, 414 kB)
下载英文版PDF, 12/2013 (pdf,  306kB)
优势和特点
  • 16位、100kSPS SAR ADC系统
  • 优化低功耗驱动放大器
  • 输入信号最高可达1kHz
此电路中所用产品
    应用: 
  • 仪器仪表
  • 电子测试和测量
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  • 物料清单
  • Gerber 文件
  • PADS 文件
  • 装配图
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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-CN0306-SDPZ ($ 99.00) A 16-Bit, 100 kSPS Low Power Successive Approximation ADC System with Optimum Low Power Drive Amplifier for Sub-Nyquist Input Signals Up to 1 kHz
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board SDP
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电路功能与优势

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。

这种方法对于便携式电池供电、要求低功耗的多通道应用 极为有用。它还为那些两次转换突发之间的大部分时间 ADC都处于空闲状态的应用提供了优势。

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

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 ADC,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。

驱动放大器采用了低功耗、精密放大器AD8641,其电源电 流为200μA,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(620μA) 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(634Ω,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(20Ω),更高的R值(634Ω) 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

AD8641放大器可用于驱动高速、引脚兼容型ADC,如AD7988-5AD7980,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(400μA)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

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。

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
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 AD8641ARZ AD8641AKSZ-REEL7
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
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-CN0306-SDPZ A 16-Bit, 100 kSPS Low Power Successive Approximation ADC System with Optimum Low Power Drive Amplifier for Sub-Nyquist Input Signals Up to 1 kHz $ 99.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board SDP $ 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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