AN-2575: 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

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 的系统进行了优化。

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，输入信号频率高的时候，需要选择放大器来驱动高性能逐次逼近型 ADC。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、低功耗的放大器。

例如，推荐 80 MHz ADA4841-1运算放大器（10 V时功耗为 12 mW）与 AD7988-1 16 位逐次逼近寄存器(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，3MHz AD8641 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%。

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，它还具有出色的交流性能：SNR = 91 dB，THD =−114 dBc。

驱动放大器采用 AD8641 低功耗、精密器件，其电源电流为 200 μA，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(620 μA)时， ADR435 具有极低的温漂(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（634 Ω，2.7 nF）。滤波器允许使用诸如 AD8641等噪声更高(28 nV/√Hz)的放大器，同时功耗依然低得多。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(20 Ω)，更高的 R 值(634 Ω)使得 AD8641 可以驱动 2.7 nF 的输入电容。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。这说明与使用 ADA4841-1（其功耗为 12 mW，总系统功耗为 17.35 mW）相比，功耗降低 58%。

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。