利用过采样增加SAR ADC的动态范围

您使用过任何ADC(Δ-Σ 或 SAR) 并使其工作在过采样模式下吗?您 是否得到了需要的结果?您遇到过什么问题吗?

以前有些关于 Δ-Σ 和 SAR(逐次逼近型)ADC概述中,曾讨论过信噪 比(SNR)和有效位数(ENOB)相关的过采样技术。过采样技术最常 用于Δ-Σ 型ADC,但也可用于SAR ADC。本文将对此做进一步讨 论。首先是系统级概要介绍:

用于光谱分析、磁共振成像(MRI)、气相色谱分析、振动、石油/ 天然气勘探和地震仪的高性能数据采集信号链要求具备高动态 范围(DR)性能,同时降低功耗、尺寸和成本。获得较高动态范围 的一种方法,是对转换器过采样,以便精确监控并测量来自传 感器微弱和强烈的输入信号。

还有其它多种方法可以提升ADC动态范围,比如并行运行多个 ADC并对输出结果进行数字后期处理以获得平均值,或者使用 可编程增益放大器。然而,有些设计师可能会觉得这些方法太 麻烦,或者觉得不能在他们的系统中实现——这主要是因为功 耗、尺寸以及成本的限制。本技术文章重点讨论高吞吐速率、 5 MSPS、18/16位精密SAR转换器的过采样,利用直观的ADC样本 求均值,提升动态范围性能。

过采样描述

过采样是一种 高性价比的过程,以大幅高于奈奎斯特频率的速 率对输入信号进行采样,提升SNR和分辨率 (ENOB),同时还能降 低抗混叠滤波器的要求。原则上讲,对ADC进行4倍过采样可额 外提供1位分辨率,或增加6 dB的动态范围。提升过采样率(OSR) 可降低整体噪声并增加DR,因为过采样为ΔDR = 10log10 (OSR), 单位dB。

类似于 Δ-Σ 型ADC过采样、高吞吐速率SAR ADC过采样还能改善抗 混叠性能,并降低总噪声。很多情况下,过采样是Δ-Σ 型ADC的 固有属性,可以顺利实现,并且集成数字滤波器和抽取功能。 然而, Δ-Σ 型ADC通常不适合用于输入通道间的快速切换(多路复 用)。如图1所示,Δ-Σ型ADC基本过采样调制器对量化噪声进行 整形,使其大部分出现在目标带宽以外,从而增加低频下的整体动态范围。然后,数字低通滤波器(LPF)过滤目标带宽以外的 噪声,抽取器降低输出数据速率,使其回落至奈奎斯特速率。

图1. 奈奎斯特转换器过采样

5 MSPS、18/16位精密转换器

关于其实际工作原理的示例,可参考AD7960AD7961器件。这 两款器件分别是18/16位ADC,最高转换速率为5 MSPS。它们使用 专有的容性数模转换技术,可降低噪声并改善线性度,同时不 会产生延迟或流水线延迟。由于兼具低RMS噪声和高吞吐速率 性能,因而实现了低噪底。这使得这些ADC适合于过采样应用。

AD7960/AD7961系列采用1.8 V和5 V电源供电,在自时钟模式下进 行转换时,5 MSPS速率的功耗仅为39 mW;而在回波时钟模式下 进行转换时,5 MSPS速率的功耗为46.5 mW。如图2所示,功耗随 吞吐速率线性变化,使其非常适合低功耗便携式应用。

图2. AD7960功耗与吞吐速率的关系

AD7960/AD7961评估设置

AD7960/AD7961系列可将反相模拟输入信号(IN+和IN−)的差分电压转换为数字输出信号。 模拟输入IN+和IN−要求共模电压等于基准电压的一半。低噪声、低功耗放大器AD8031 缓冲来自低噪声、低漂移ADR4550的5 V基准电压,还可缓冲AD7960/AD7961的共模输出电压(VCM)。

低噪声和超低失真ADA4899-1 配置为单位增益缓冲器,并以0 V至 5 V差分反相(相互之间呈180°反相)驱动AD7960/AD7961的输入。电路使用+7 V和−2.5 V电源,用于ADA4899-1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。使用EVAL-AD7960FMCZ 子板和EVAL-SDP-H1 控制器板评估设置简化原理图如图3所示。

图3. AD7960/AD7961评估设置的原理示意图(未显示所有去耦)

在本文第一部分,我们开始讨论采用SAR ADC来降低噪声、增加动态范围和ENOB,方法是基于过采样——一般用于低速、高分辨率∆-Σ 型ADC——其它器件较少采用。然后,我们进而讨论了使用评估板和软件的SAR ADC测试结果。

在第二部分,我们将继续讨论AD7960/AD7961。我们还将讨论可用的评估板和软件,它们可以进行分析。我们将看到这些ADC的性能如何。通过ADC的FFT输出,使用评估板可轻松看出性能。

测量结果

过采样能力由AD7960/AD7961评估软件对ADC输出样本简单求平均而实现,也就是说,将ADC样本数量相加,然后除以过采样率,从而提升动态范围。该软件允许用户从配置选项卡的下拉菜单中选择高达256的过采样率,如图4所示。可实现的最大动态范围受限于系统的低频1/f噪声,该噪声在低于20 kSPS的较低输出数据速率下占主导地位。

图4. AD7960/AD7961评估软件面板

从直流到fs/2范围内的信号频谱以及平坦噪声如图5和图6所示,表示可对噪声进行过滤,使其降低至fs/(2 × OSR),以改善动态范围和SNR。此时,过采样动态范围是峰值信号功率与ADC输出FFT测量的噪声功率之比,测量范围为直流至fs/(2 × OSR),其中fs表示ADC采样速率。

图5. AD7960在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出 (OSR = 256,REF = 5 V)

图6. AD7961在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出 (OSR = 256,REF = 5 V)

如数据手册所述,采用5 V基准电压源时,AD7960和AD7961可分别实现100 dB和96 dB典型动态范围;因此理论上由于256过采样,我们应当看到动态范围增加了24 dB。

在实际中,这些器件测得的过采样动态范围分别为122 dB和119 dB,在19.53 kSPS输出数据速率下进行256倍过采样时无输入信号,这与理论计算值相比动态范围下降了1 dB到2 dB。 它受到来自信号链组件、输入源和印刷电路板的低频噪声限制。 采用1 kHz满量程正弦波输入信号时,这些器件分别可实现大约111 dB和110 dB的过采样SNR。图7显示AD7960如何随过采样率增加和输出数据速率下降而实现动态范围的增加。

图7. AD7960动态范围与输出数据速率的关系

应用示例

MRI系统工作频段为1 MHz至100 MHz RF,而计算机断层扫描(CT)和数字X射线工作在1016 Hz至1018 Hz频率范围内,并且需要让病人暴露在电离辐射下,会损害活组织。MRI梯度控制系统要求极高的动态范围、紧凑的线性度以及从DC到几十kHz的快速响应时间,并且要求在模拟或数字域中,其梯度精确控制到大约1 mA (1 ppm)以内,以增强图像质量。

使用具有优异规格数据的过采样SAR ADC (比如AD7960)可让设计工程师实现高动态范围,同时满足MRI系统的关键要求。这类系统要求可在医院或医生办公室中重复、长期稳定测量。设计工程师应当注意的其它要求是高分辨率、精度、低噪声、快速刷新速率和极低的输出漂移。

有关文中任意产品的更多信息,请访问:www.analog.com/DAC


作者

Maithil Pachchigar

Maithil Pachchigar

Maithil Pachchigar 是ADI公司位于美国麻萨诸塞州威明顿市的仪器仪表、航空航天与国防业务部门的应用工程师。他于2010年加入ADI公司,从事仪器仪表、工业、医疗保健和能源行业的精密ADC产品相关工作和客户支持。自2005年以来,Maithil一直在半导体行业工作,并已发表多篇技术文章。他于2006年获得圣何塞州立大学电气工程硕士学位,并于2010年获得硅谷大学MBA学位。