微功率运算放大器可在不牺牲准确度或超出功率预算的情况下驱动 8 通道 18 位同时采样 ADC

设计要点 541: 引言 ~~

用于驱动 18 位模数转换器 (ADC) 的运放所吸收的电源电流通常和 ADC 本身一样多,且常常具有远高于 ADC 的最大失调规格值。如果需要多个 ADC 通道,那么这些驱动器所产生的功率耗散将迅速上升至不可接受的水平。

 假如需要的是 18 位精度 (SNR、THD、VOS),而不是高采样速率,且输入信号为低频或 DC,则本文提出的简单缓冲器能够驱动 LTC2348-18 8 通道同时采样 ADC。另外,其还以非常低的功耗实现了与针对 SNR、THD 和失调指标的典型规格值相当的性能。

电路描述

LTC2348-18 是一款具有宽共模输入范围的低噪声、8 通道同时采样 18 位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。当采用一个 ±10.24V 输入范围时,LTC2348-18 可实现 -109dB THD (典型值)、96.7dB SNR (典型值) 和一个 ±550μV (最大值) 的失调,并在 200ksps 速率下仅消耗 140mW (典型值) 的功率。当在该应用的 10ksps 速率下运作时,可通过运用该器件的打盹 (NAP) 模式将这款 ADC 的功耗降低至 45mW (典型值)。

LT6020 是一款双通道、微功率、5V/μs、精准轨至轨输出运放,其具有低于 30μV (最大值) 的输入失调电压,且每个放大器仅吸收 100μA (最大值)。

图 1 中的电路示出了被配置为一个同相缓冲器以驱动 LTC2348-18 之模拟输入的 LT6020 运放。每个运放的最大功率耗散仅为 3mW。所有 8 个通道的功耗加在一起只不过是 24mW,大约相当于 ADC 在 10ksps 时功耗的一半。

 

Figure 1. LT6020 Buffer Driving the LTC2348-18 8-Channel Simultaneous Sampling SAR ADC

 

图 1:LT6020 缓冲器驱动 LTC2348-18 8 通道同时采样 SAR ADC

 



 

位于缓冲器输出端上的 RC 滤波器可最大限度地降低 LT6020 产生的噪声,并抑制由 MUX 和输入采样电容器引起的采样瞬变所造成的不良影响。对于选定的 RC 时间常数,应使 R 值尽可能地小以减少电阻器两端的电压降。如果未能使滤波器输出完全地稳定,那么这种做法会导致一个增益误差。R 值必须足够大以防止在运放输出端上产生过大的振铃 (这会延长实现稳定所需的时间并增加失真)。

LTC2348-18 可提供两种不同的操作模式。第一种为全差分模式,其要求每个通道的两个模拟输入均由一个单独的放大器来驱动。第二种是伪差分模式,其只驱动一个模拟输入,而把另一个输入接地。图 1 中的电路采用了第二种模式。使用伪差分驱动意味着所需的组件数较少,而且功率耗散较低。采用此模式的缺点是 INL 性能指标略有下降。

电路性能

图 2 示出了由图 1 中的缓冲器进行伪差分驱动的 LTC2348-18 之 8192 点 FFT。在 10ksps 速率下,THD 为 -108dB,SNR 为 95.8dBFS,这可媲美 LTC2348-18 的典型规格指标。

 

Figure 2. 8192-Point FFT for the Circuit of Figure 1

 

图 2:图 1 所示电路的 8192 点 FFT

 



 

图 3 示出了 SNR 和 THD 与采样速率的关系曲线。一直到 10ksps,SNR 都保持得相当平坦 (接近 96dBFS)。THD 则在 10ksps 采样速率下开始升至高于 -108dB。

 

Figure 3. SNR and THD vs Sampling Rate for the Circuit of Figure 1

 

图 3:SNR 和 THD 与采样速率的关系曲线 (针对图 1 所示的电路)

图 4 示出了 SNR 和 THD 与输入频率的关系曲线。在高于 100Hz 一直到 1kHz 的输入频率范围内,SNR 和 THD 均从 LTC2348-18 的典型规格值缓慢地下降,SNR 为 94dBFS,而 THD 为 -85dB。

 

Figure 4. SNR and THD vs Input Frequency for the Circuit of Figure 1

 

图 4:SNR 和 THD 与输入频率的关系曲线 (针对图 1 所示的电路)

 



 

图 5 示出了 LT6020 驱动器及 ADC 的组合失调误差与采样速率的关系曲线。失调最初小于 1LSB,并在采样速率超过 10ksps 时开始变差。

 

Figure 5. Combined ADC and Driver Offset vs Sampling Rate for the Circuit of Figure 1

 

图 5: ADC 及驱动器的组合失调与采样速率的关系曲线 (针对图 1 所示的电路)

 

 

结论

一个由配置为同相缓冲器的 LT6020 低功率精准双通道运放组成的简单驱动器可用于驱动 LTC2348-18 18 位、200ksps、8 通道同时采样 SAR ADC,其每个运放的功耗仅为 3mW (最大值),而 LTC2348-18在 10ksps 时只消耗 45mW。在 10ksps 的采样速率下,测得的 SNR 为 95.8dB,THD 为 -109dB,而失调则小于 1LSB。

作者

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Guy Hoover

Guy Hoover是一名拥有超过30年凌力尔特公司工作经验的工程师,曾担任技术员、IC设计工程师和应用工程师。

T他的职业生涯始于LTC,当时的职位是技术员,并向参与多个产品工作的Bob Dobkin、Bob Widlar、Carl Nelson和Tom Redfern学习,涉及产品包括运算放大器、比较器、开关稳压器和ADC。在此期间,他还花了大量时间来编写测试程序以对这些器件的特性进行表征。

他在LTC的下一段职业生涯是学习PSpice和设计SAR ADC。由Guy设计的产品包括LTC1197系列10位ADC和LTC1864系列12位和16位ADC。

Guy目前是混合信号部的应用工程师,专门从事SAR ADC应用支持工作。这包括为SAR ADC演示板设计、编写Verilog代码和测试程序,帮助客户优化包含LTC SAR ADC的产品,并希望编写有用的应用文章,将有关使用这些器件的知识传递给客户。

Guy毕业于德锐技术学院(现为德锐大学),拥有电子工程技术硕士学位。