採用PGA的SAR轉換器可實現125 dB的動態

作者: ADI資深應用工程師 Thomas Tzscheetzsch

問題:

16位元SAR轉換器應用能否在600 kSPS時達到125 dB的動態範圍?

RAQ Issue: 163

答案:

可以,89 dB + 18 dB + 20 dB ≥ 125 dB。

簡介

對於需要高動態範圍的應用,通常會使用∑-Δ轉換器。這些應用主要可以在化學分析、醫療保健和體重管理領域中找到。但是,其中許多模組無法快速轉換。圖1中的電路描述了一種將高動態範圍與高轉換率相結合的方法。

圖1. 具有自動增益調節功能的SAR轉換器。

圖1的電路顯示了帶有2.5 MSPS和上游可編程儀表放大器的16位元SAR轉換器,它將增益設定為1或100。透過在FPGA中進行過採樣和數位訊號處理,該電路可實現大於125 dB的動態範圍,並且仍然非常安靜。高動態範圍是透過 AD8253 的自動切換和過採樣而得以實現的,其中訊號的採樣速率遠高於奈奎斯特頻率。根據經驗,採樣頻率加倍可在原始訊號帶頻下將訊號雜訊比(SNR)提高約3 dB。在圖1所示的電路中,仍然在FPGA中應用數位濾波,以消除高於目標訊號頻寬的雜訊。其原理如參考圖2所示。

為了獲得最大動態範圍,在輸入端使用儀表放大器將極低訊號放大100倍。有關雜訊的一些注意事項,請參考以下:

對於>126 dB的動態範圍要求,在3 V (6 V pp)輸入訊號時產生的最大雜訊級為1 µV rms。 AD7985 是具有2.5 MSPS的16位元SAR轉換器。如果它以600 kSPS(低功率損耗為11 mW)和72過採樣係數運行,則產生大約8 kSPS的採樣率,因此頻寬為4 kHz。在這些條件下,將產生最大15.8 nV/√Hz的雜訊密度(ND)。該值對於選擇正確的儀表放大器而言相當重要。ADC通常具有89 dB的SNR,而係數為72的過採樣會額外增加18 dB,因此仍需要大約20 dB才能達到126 dB的目標,這是儀表放大器的任務。AD8253的增益為100時,其值為11 nV/√Hz。下方用作ADC驅動器和用於位準調節的 AD8021 又增加了2.1 nV/√Hz的雜訊。

圖2. 過採樣的增加消除了部分雜訊

類比訊號鏈由基準電壓 ADR439 (或REF194)以及 ADA4004-2 所完成,其作為基準緩衝區和驅動器,用於產生偏移電壓。

除類比路徑中的零組件外,FPGA(或處理器)對電路性能也很重要。關鍵任務是將儀表放大器的增益從1切換為100。為此,對許多閾值進行了編程以確保ADC不飽和。因此,AD8253在輸入電壓高達20 mV左右時以100為增益運行,這使得ADC輸入端的最大電壓達2.0 V。之後,FPGA將AD8253的增益降至1且沒有延遲,以防止過載(見圖3)。

圖3. 增益開關示例

電路的變化可透過 AD7980 (16位元、1 MSPS)、 AD7982 (18位元、1 MSPS)或 AD7986 (18位元、2 MSPS)等其他ADC操作。同樣的,不使用增益為1、10、100和1000的AD8253,也可改用具有較低範圍的 AD8251 等儀表放大器(增益為1、2、4和8),參考電壓的選擇也可能會有所變化。

完整開發系統請參閱 analog.com/CN0260

作者

Thomas Tzscheetzsch

Thomas Tzscheetzsch

Thomas Tzscheetzsch joined Analog Devices in 2010, working as a senior field applications engineer. From 2010 to 2012, he covered the regional customer base in the middle of Germany and, since 2012, has been working in a key account team on a smaller customer base. After the reorganization in 2017, he's leading a team of FAEs in the IHC cluster in CE countries as FAE manager.

At the beginning of his career, he worked as an electronics engineer in a machine building company from 1992 to 1998, as head of the department. After his study of electrical engineering at the University of Applied Sciences in Göttingen, he worked at the Max Planck Institute for solar system research as a hardware design engineer. From 2004 to 2010, he worked as an FAE in distribution and worked with Analog Devices' products.