驱动高精度模数转换器

市场对工业应用的需求与日俱增,数据采集系统是其中的关键设备。它们通常用于检测温度、流量、液位、压力和其他物理量,随后将这些物理量对应的模拟信号转换为高分辨率的数字信息,再由软件做进一步处理。此类系统对精度和速度的要求越来越高。这些数据采集系统由放大器电路和模数转换器(ADC)组成,其性能对系统具有决定性的影响。然而,ADC的输入驱动器也会影响整体精度。该驱动器用于缓冲和放大输入信号。此外,还必须增加偏置信号或生成全差分信号,以覆盖ADC的输入电压范围并满足其共模电压要求,在此过程中不得改变原始信号。可编程增益仪表放大器(PGIA)通常用作输入驱动器。在本文中,我们提出了一种输入驱动器和ADC的组合,通过这种组合可以实现非常精确的转换结果,从而构建高质量的数据采集系统。

例如, LTC6373就是一款适用于高精度数据采集系统的PGIA。除了全差分输出,它还具有高直流精度、低噪声、低失真(见图2)以及4 MHz的高带宽,增益为1/4~16。ADC可以通过它直接驱动,因此适合许多信号调理应用。

图1中的电路显示了使用LTC6373来驱动精密ADC的示例,ADC是具有1.8 MSPS的20位分辨率的 AD4020

 Example of a circuit for driving a precision ADC

图1. 驱动精密ADC的电路示例。

在该电路中,LTC6373在输入端和输出端直流耦合,因而不需要使用变压器来驱动ADC。增益可通过引脚A2/A1/A0在0.25 V/V至16 V/V之间进行设置。在图1中,LTC6373采用差分输入至差分输出配置和±15 V对称电源电压。或者,输入也可以是单端输入,而输出仍然是差分输出。

在图1中,输出共模电压通过V OCM 引脚设置为V REF /2。这样就可实现LTC6373的输出电平转换。LTC6373的每个输出在0 V至V REF 之间变化,因此在ADC输入端有一个2× V REF 幅度的差分信号。LTC6373的输出端和ADC输入端之间的RC网络形成一个单极点低通滤波器,它可降低在ADC输入端切换电容时产生的电流毛刺。同时,低通滤波器限制了宽带噪声。

图2显示LTC6373的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD),其在整个输入电压范围(10 V p-p)内驱动AD4020 SAR ADC(高阻态模式)。在吞吐量为1.8 MSPS,滤波器电阻(R FILTER )为442 Ω时可获得比较满意的效果。在1 MSPS或0.6 MSPS时,制造商建议R FILTER 为887 Ω。

SNR and THD for driving the AD4020

图2. 使用LTC6373驱动AD4020的SNR(左)和THD(右)性能。

LTC6373可驱动大多数具有差分输入的SAR ADC,不需要另外增加ADC驱动器。但是,在某些应用中,在LTC6373和精密ADC之间可以使用单独的ADC驱动器来进一步提高信号链的线性度。

结论

图1中所示的电路针对快速、高精度数据采集系统进行了优化。因此,LTC6373的出色特性有助于对传感器输出信号进行信号调理。借助在线工具ADI Precision Studio,特别是其中包含的ADC驱动器工具,ADI公司可以为此类放大级、滤波器和线性电路设计提供更多支持。欲了解更多信息,请访问 tools.analog.com/en/precisionstudio

作者

Thomas Brand

Thomas Brand

Thomas Brand于2015年10月加入德国慕尼黑的ADI公司,当时他还在攻读硕士。2016年5月至2017年1月,他参加了ADI公司的现场应用工程师培训生项目。之后在2017年2月,他开始担任现场应用工程师职位,主要负责工业大客户。此外,他还专注于研究工业以太网,并为中欧的相关主题提供支持。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。