CN0307: 集成低功耗输入驱动器和基准电压源的16位6 MSPS SAR ADC系统,针对多路复用应用优化

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电路笔记PDF, 11/2012 (pdf, 540 kB)
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优势和特点
  • 16位、6MSPS SAR ADC系统
  • 低功耗驱动器
  • 多路复用数据采集的理想选择
此电路中所用产品
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电路功能与优势

图1中的电路采用16位、6 MSPS逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC)和差分至差分驱动器组合,针对低功耗下的低噪声(信噪比[SNR] = 88.6 dB)和低失真(总谐波失真[THD]=−110 dBc)进行了优化。该电路非常适合于高性能多路复用数据采集系统,例如便携式数字X射线系统和安保扫描仪,因为SAR架构在进行采样时不会发生采用流水线式ADC通常会出现的延迟或流水线延迟。6 MSPS的采样速率可以实现多个通道的快速采样,该ADC具有真正的16位直流线性度性能和串行低压差分信号(LVDS)接口,以实现低引脚数和低数字噪声。

图1. 驱动ADA4897-1(未显示全部连接和去耦)

驱动器使用两个低噪声 (1 nV/√Hz) ADA4897-1 运算放大器,可在低功率水平下(每放大器3 mA)保持 AD7625 ADC的动态性能。 ADA4897-1 具有45ns的0.1%快速建立时间,非常适合多路复用应用。

这种组合可在很小的电路板空间中,以低功耗提供业界领先的动态性能, AD7625 采用5 mm × 5 mm、32引脚LFCSP封装; ADA4897-1 采用8引脚SOIC封装; AD8031 采用5引脚SOT-23封装。

电路描述

ADA4897-1具有低失真(1 MHz频率下的无杂散动态范围[SFDR] 为−93 dB)、0.1%快速建立时间(36 ns)和高带宽(230 MHz,−3 dB,G = 1)。两个 ADA4897-1驱动器的增益均配置为1。单极点2.95 MHz低通RC滤波器使用20Ω电阻和2.7 nF电容,放置在每个驱动器和ADC之间。该滤波器在 AD7625 的输入端限制运算放大器的输出噪声,并且提供一些带外谐波衰减。

通过使用配置为单位增益缓冲器的 AD8031 来缓冲 AD7625的VCM输出电压(标称值为2.048 V),设置ADA4897-1 输出端的共模电压。共模偏置电压通过590Ω串联电阻施加于输入端。 AD8031非常适合驱动共模电压,因为它具有低输出阻抗,还可在出现瞬态电流时进行快速建立。

AD7625采用LVDS接口,可实现业界具有突破性的动态性能,信噪比为92 dB(6 MSPS),具有16位(1 LSB)积分非线性(INL)性能。 ADR434 基准电压源(4.096 V)为低噪声、高精度的XFET基准电压源,具有较低的温度漂移。其源电流输出最高达30 mA,最大吸电流能力为20 mA。

ADR434提供8引脚MSOP或8引脚窄体SOICC封装。 AD8031 运算放大器可将 ADR434 输出端与 AD7625的基准电压输入隔离开来,为REF输入端的瞬态电流提供低阻抗和快速建 立。

双驱动器仅需要54 mW,与135 mW的ADC功率、12 mW的基准电压源和缓冲相加,整个电路仅产生201 mW的总功耗。

电路使用+7 V和−2 V电源,用于 ADA4897-1 驱动器的输入,以最大程度降低功耗, 实现最佳系统失真性能。 ADA4897-1 输出级是轨到轨的,采用5 V单电源供电时,在150 mV和4.85 V之间摆动。但是,范围两端的额外2 V裕量可以提供低失真。

图2显示输入级使用+7 V和−2 V电源的电路交流性能。SNR= 88.6 dB,THD = −110.7 dB,20 kHz输入信号比满量程低0.6 dB(93%满量程)。

图2. 双电源(+7 V,−2 V)供电的AD7625ADA4897-1,SNR = 88.6 dB,THD = −110.7 dB,基波幅值 = 满量程的−0.6 dB
图3. 单电源(5 V)供电的AD7625ADA4897-1,SNR = 86.7 dB,THD = -101.1 dB,基波幅值 = 满量程的−1.55 dB

图3显示输入级使用5 V单电源的电路交流性能。SNR = 86.7dB,THD = -101.1 dB,20 kHz输入信号比满量程低1.55 dB(84%满量程)。

电源电压从−2 V,+7 V降低至0 V,+ 5V,数据显示SNR大约降低1.9 dB,THD大约降低9.6 dB。

单电源配置适用于系统没有双电源但仍需达到高性能的用户。

常见变化

AD7625 集成内部基准电压源,如果系统要求,还支持两个外部基准电压源。通过在REFIN引脚上施加 ADR3412 基准电压(1.2 V)输出,可以产生基准电压,它通过片上基准电压缓冲器放大为4.096 V的正确ADC基准电压值。 ADR3412 可使用与 AD7625相同的5 V模拟轨供电,并且采用片上基准电压缓冲器。

另外,4.096 V外部基准电压源(例如 ADR434 ADR444)可以连接到使用缓冲放大器(例如 AD8031 )的ADC无缓冲REF输入,如图1所示。此方法常用于多通道应用,其中的系统基准电压源由多个ADC共享。

ADR434 ADR444 配置还非常适合单通道应用,这些应用需要较低的基准电压源温度系数(对于 ADR434B ADR444B,最大值为3 ppm/°C)。用于为 ADA4897-1 运算放大器供电的7 V供电轨还可为 ADR434 ADR444的VIN电源引脚供电。

另一个具有吸引力的4.096 V基准电压源为。 ADR4540低压差 (>300 mV)高精度基准电压源,允许采用5 V电源供电。

如果需要, ADA4897-1 AD8031 单通道运算放大器可用它们的双通道版本(分别为 ADA4897-2 AD8032) 来替代。

对于3 MHz的高输入频率,我们推荐使用 ADA4899-1(15mA/amp)作为驱动放大器。

ADA4938-1 (37 mA/amp)非常适用于高达10 MHz的信号,也可用作单端到差分转换器。

该电路或任何高速电路的性能都高度依赖于适当的印刷电路板(PCB)布局,包括但不限于电源旁路、受控阻抗线路(如需要)、元件布局、信号布线以及电源层和接地层。(有 关PCB布局的详情,请参见指南 MT-031 、指南 MT-101 以及 " 高速印刷电路板布局实用指南”一文。)

电路评估与测试

我们开发了 EVAL-AD7625EDZ 评估板来评估和测试 AD7625 ADC。为了测试图1所示的电路,我们用两个 ADA4897-1运算放大器代替两个 ADA4899-1 运算放大器(U13、U14)。

有关详细的原理图和用户指南,请参考 EVAL-AD7625EDZ文档。该文档描述了如何进行本电路笔记所述的交流测试

请注意,输入放大器的+7 V和−2 V电源从外部双电源连接到 EVAL-AD7625EDZ板。

测试设置的功能框图如图4所示,而评估板的照片如图5所示。

设备要求

为测试该电路,需要如下设备:

  • EVAL-AD7625EDZ 改进型评估板(包括软件和7 V直流壁式电源适配器)
  • EVAL-CED1Z 转换器评估和演示平台电路板
  • 一个低失真信号发生器,如Agilent 81150A或Audio PrecisionSYS2702
  • 带USB 2.0端口的PC,运行Windows® XP、Windows Vista或Windows 7(32位或64位)
  • 7 V直流壁式电源适配器(包括在评估板中)
  • 外部+7 V和−2 V直流电源,电流为50 mA
图4. 测试设置功能框图
图 5. 经过修改的EVAL-AD7625EDZ电路板,连接至EVAL-CED1Z电路板

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7625 16-Bit,6MSPS PulSAR差分ADC AD7625BCPZ
AD8031 2.7 V、800 µA、80 MHz轨到轨输入/输出单路放大器 AD8031ARTZ-REEL7 AD8031BRZ AD8031ARZ AD8031ANZ
AD8032 2.7 V、800 µA、80 MHz轨到轨输入/输出双路放大器 AD8032ARZ AD8032ANZ
ADA4897-1 1 nV/√Hz、低功耗、轨到轨输出放大器 ADA4897-1ARZ ADA4897-1ARJZ-R7
ADA4897-2 1 nV/√Hz、低功耗运算放大器

欲获取样片,请 联系ADI公司

ADR434 超低噪声、4.096V XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR434ARZ
沪ICP备09046653号
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