使用AD7768/AD7768-4实现模块化数据采集 (DAQ) 封装

简介

模拟输入/输出模块设计的共同趋势是以更小的尺寸因数实现更大的通道数。该趋势由通过增加仪器仪表 (PXI) 卡槽的单个模块或PCI扩展可实现的测量值数以减少成本和测试时间的需求所驱动。通道密度的增加导致更多的热消耗,这是模块化应用中设计师面临的共同问题。要使设计满足高密度数据采集模块的热预算要求,客户必须考虑速度、带宽和性能的权衡。

AD7768/AD7768-4 为8通道和4通道24位同步采样模数转换器(ADC)。通过可选的功耗模式和数字滤波器选项可重新配置AD7768/AD7768-4以适应多种应用,如工业输入/输出模块、仪器仪表、音频测试、控制回路和状态监控。

必须使用外部驱动放大器驱动到AD7768/AD7768-4的输入。模拟前端的驱动要求随着前端采样速率的不同而变化。AD7768/AD7768-4上的可选预充电缓冲区可减少前端驱动放大器上的负担,使低功耗放大器驱动具有高采样速率的模拟输入。

本应用笔记概述了如何在子系统功率水平低至每通道19.5 mW的情况下实现−126.6 dB的总谐波失真 (THD)。该应用笔记还比较了在有无预充电缓冲区帮助时的高性能驱动放大器和低功耗放大器的组合。为了公平有效地进行比较,基于在特定功耗模式下驱动AD7768/AD7768-4的适用性来选择这些放大器。例如,选择用于在快速功耗模式下驱动AD7768/AD7768-4的高带宽放大器在中速或低速功耗模式下可以同样良好地工作,但可能比正常情况消耗更多的功率,具体取决于使用的系统。本应用笔记中评估的驱动放大器和功耗模式的适当组合可使设计师设计出在特定的热或功率约束带内实现最高性能的单个DAQ平台。此外,本文还论述了系统设计师遇到的一些权衡。

图1. 快速功耗模式下的AD7768/AD7768-4典型连接图,ADA4896-2作为驱动放大器

图2. 模拟输入结构

电路描述

AD7768/AD7768-4的放大器测试使用 EVALAD7768FMCZ评估平台、 EVAL-AD7768-4FMCZ,评估平台和多个放大器夹层卡 (AMC) 执行。"放大器配置"部分列出了位于各AMC上的放大器。EVAL-AD7768FMCZ 和EVAL-AD7768-4FMCZ评估平台原理图(分别在www.analog.com/eval-ad7768和www.analog.com/eval-ad7768-4提供)可配置为使用AMC(仅在一个通道上)作为驱动放大器输入。多详细信息,请参见EVAL-AD7768FMCZ和EVAL-AD7768-4FMCZ。可用的AMC上装有多个放大器,专门设计与ADI公司的ADC一起使用。EVALSDP-H1连接至EVAL-AD7768FMCZ和EVAL-AD7768-4FMCZ 评估平台以与评估软件(随评估硬件一起提供)连接。使用精密音频源进行交流分析。

确定使用以下选择用于测试的放大器来补充AD7768/AD7768-4上的各个不同功耗模式:

表1所示为所选放大器的性能和功率规格,其中一些放大器可采用不同的封装尺寸和选项。

表1. 放大器规格
放大器 特性 带宽(BW)(MHz) 压摆(V/µs) 电压噪声密度(nV/√Hz) 电流噪声密度(pA/√Hz) 失调电压(µV最大值) 失调漂移(µV/C) 电源电压(V) 各放大器的功率 (mA)
ADA4899-1
单位增益,超低失真 600 310 1 2.6 230  5(典型值) 5 至 12 16
ADA4896-2  低漂移,轨到轨输出 (RRO) 230  120 2.8   500 0.2(典型值) ±3 至 ±5  3.0 
ADA4807-2 轨到轨输入/输出 (RRIO),低漂移 180   225 3.1
 0.7 125   0.7(典型值)  ±3 至 ±5 1.0 
ADA4805-2 RRO,低漂移  105 160  5.9   0.6 125   0.2(最大值)  ±3 至 ±5 0.625 
ADA4940-1  RRO,差分放大器  260  95 3.9   0.81   3.50  1.2(典型值) 3 至 7  1.25 total2 
ADA4841-2 RRIO低噪声和失真  80  13 2.1  1.4 300   1(典型值)  2.7 至 12 1.2 
ADA4084-2 RRIO,零输入交叉失真  13.9  3.7  3.9  0.55  300   0.5(最大值)  ±1.5 至 ±15  0.625

ADA4945-1

 RRO,selectable modes  803 , 1454 1003 , 6004 3.03 , 1.84  0.63 , 1.04 ±115   0.5 3 至 10  1.43 total2 , 44 total
  1.  单个通道的总功率。

选择功耗模式


AD7768/AD7768-4具有三种可选的功耗模式:低速、中速和快速。这些功耗模式可为AD7768/AD7768-4选择工作点,以便在维持相同动态范围的同时可以选择最优的带宽和功耗。

所选功耗模式可与主时钟分频器 (MCLK_DIV) 一起使用以正确设置该工作点。MCLK_DIV将决定调制器运行的频率,然后可抽取调制器输出以给出最终输出数据速率 (ODR)。推荐的调制器频率 (fMOD) 范围如表2所示。

表3所示为各功耗模式的功耗,施加了32.768 MHz的主时钟,模拟输入预充电缓冲区开启,采用额定电源,使用宽带滤波器,抽取率为32。从表3可以看出,功耗随着速度和带宽的不同而变化。

模拟输入结构

图2所示为AD7768/AD7768-4的模拟输入结构。可以基于各通道使能模拟输入预充电缓冲区。使能后,模拟输入预充电缓冲区将在初始采样周期为采样电容充电,其提供稳定采样电容所需的大部分电流。剩余的充电由外部放大器驱动,该充电将实现采样电容的最终精细稳定,从而实现精确的结果。


在最快的采样速率下,对于5 V输入,预充电缓冲区可将来自放大器的输入电流从320 µA减少至约25 µA。有关AD7768/AD7768-4模拟输入结构的更多信息,请参见AD7768/AD7768-4数据手册。

图3所示为ADA4807-2 AMC连接至AD7768/AD7768-4评估板。

测试方法

AD7768/AD7768-4具有用于该放大器测试的宽带数字滤波器。宽带滤波器具有截止频率为0.433 × ODR的砖墙式滤波器响应。±0.005 dB的出色通带波动可实现出色的频域测量,从而确定驱动放大器性能和输入频率的关系。Sinc5数字滤波器具有0.2 × ODR的带宽和3 dB的动态范围改善,但在这些比较测试中不进行考虑。

放大器输出和ADC输入之间具有电阻/电容 (RC) 网络。图4所示为用于AD7768/AD7768-4的大多数放大器配对的典型RC网络。RC网络可执行多种任务。C1和C2是ADC的电荷存储器,为ADC提供到采样电容的快速充电电流。

电容C3可消除AINx+和AINx−输入之间的共模误差。这些电容与RIN一起组成了低通滤波器,滤除与输入开关相关的毛刺。输入电阻还可在驱动大电容负载时稳定放大器,防止放大器振荡。

图4. RC网络典型输入结构

表2. 推荐的fMOD范围
功耗模式 MCLK_DIV典型值 推荐的fMOD (MHz)
AD7768/AD7768-4  AD7768-1 
低速 MCLK/32 MCLK/16 0.0361 至 1.024
中速 MCLK/8 MCLK/4 1.024 至 4.096
快速 MCLK/4 MCLK/2  4.096 至 8.192 
表3. AD7768/AD7768-4功耗模式
功耗模式 最大速度 (kSPS)  FIR2 Sinc Filter 
宽带BW (kHz) 宽带功率(mW/通道) Sinc BW (kHz) Sinc功率(mW/通道)
AD7768/AD7768-4    AD7768-1 AD7768/AD7768-4   AD7768-1
快速 256  110.8  51.5  36.8  52.2  41  26.4
中速 128  55.4  27.5  19.7  26.1  22  14.4
低速 32  13.8  9.375  6.75  6.5  8.5  5.4