測試、測量和儀表的“綠色” 之路

　　很久以前，精確電氣的測量是在原始的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，在這類環(huán)境中，有充足的電力供應(yīng)，時(shí)間分配也能確保極高的準(zhǔn)確性。今天，人們希望將儀表攜帶到現(xiàn)場，讓儀表靠電池電源運(yùn)行，并立即實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性。模擬電路與數(shù)字電路不同，不會(huì)從較小的幾何尺寸產(chǎn)生的比例效應(yīng)中受益。如果功率消耗得較少，那么噪聲 (精確測量的大敵) 實(shí)際上增加了。隨著新的低壓工藝出現(xiàn)，信噪比 (SNR) 變得更差了，這是可以理解的，因?yàn)樾盘?hào)幅度減小了。那么，在提高性能的同時(shí)，模擬信號(hào)鏈路怎樣“走向綠色”呢?

　　很多高速儀表的核心是一個(gè)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。例如，金屬物體的非破壞性測試采用一種類似于醫(yī)療超聲的成像方法，采用這種方法時(shí)，數(shù)字圖像傳感器為高速 ADC 提供信號(hào)。在有些情況下，會(huì)有很多通道，因此尺寸和功耗是關(guān)鍵。便攜式儀表顯然需要節(jié)省電池功率，不過即使是固定式安裝，也會(huì)關(guān)注功率，無論是為了實(shí)施“綠色”計(jì)劃，還是僅僅要在外形尺寸緊湊的儀表中最大限度地降低熱量。ADC 的趨勢是走向采用幾何尺寸更小的工藝，并使用 1.8V 電源以降低功耗，但要實(shí)現(xiàn)與類似的 3V 器件同樣或更高的性能，就需要更聰明的 ADC 設(shè)計(jì)。

　　凌力爾特開發(fā)出了幾款引腳兼容、采樣率高達(dá) 125Msps 的 1.8V 超低功耗 12 位 / 14 位和 16 位 ADC 系列，這些器件以非常低的功率提供卓越的動(dòng)態(tài)性能。這些新器件無需減少功能或提高前端放大器的要求，就可以極大地降低功耗。由于可以選擇單、雙、4 和 8 通道 ADC，因此客戶可以實(shí)現(xiàn)非常高的通道密度，同時(shí)確保系統(tǒng)中的熱量最低。不過，ADC 只是該鏈路的其中一部分。整個(gè)信號(hào)鏈路必須良好匹配，以使儀表順利工作。

　　匹配的信號(hào)通路設(shè)計(jì)

　　就需要 16 位性能和超低功耗以延長電池壽命的應(yīng)用而言，LTC2195 系列是理想的解決方案。便攜式儀表是一個(gè)完美的例子。在很多應(yīng)用中，來自傳感器的信號(hào)必須在 ADC 采樣前進(jìn)行調(diào)理。就這項(xiàng)任務(wù)而言，選擇與 ADC 性能匹配的低噪聲、低功率放大器是很重要，例如可以選擇 LTC6406，該器件與 LTC2195 系列是良好匹配的。

　　LTC6406 是一款全差分放大器，具低噪聲 (在輸入端為 1.6nV/√Hz) 和高線性度 (在 20MHz 時(shí)為 +44dBm OIP3)，采用小型 3mm x 3mm QFN 封裝。增益是用外部電阻器設(shè)定的，從而為用戶提供了最大的設(shè)計(jì)靈活性。低功耗 (用 3.3V 電源時(shí)為 59mW) 最大限度地降低了對(duì)系統(tǒng)功率預(yù)算的影響。這個(gè)放大器的共模電壓范圍還延伸至 0.5V，這意味著，它可以與 LTC2195 無縫配對(duì)，因?yàn)?LTC2195 具 0.9V 的標(biāo)稱共模電壓。

　　一般情況下，數(shù)字傳感器的輸出是單端的。這就要求 ADC 采樣之前，進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換。如果 DC 響應(yīng)也需要，那么就不能用變壓器。這種情況就需要諸如 LTC6406 這種能進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換的低噪聲放大器。

　　該放大器之后必須跟隨一個(gè)濾波器，以降低放大器的寬帶噪聲，并隔離放大器輸出與 ADC 輸入，ADC 輸入產(chǎn)生與采樣電容換向有關(guān)的共模干擾。濾波器有助于衰減這類干擾，從而保護(hù)了放大器。高階濾波器并不需要，因?yàn)榉糯笃鞯脑肼曄喈?dāng)?shù)?。轉(zhuǎn)角頻率為 12MHz 的濾波器用在這里就足夠了，它不會(huì)降低 ADC 的性能。

　　最終的濾波器應(yīng)該設(shè)計(jì)僅為降低放大器的寬帶噪聲，而不是作為具陡峭過渡頻帶的選擇性過濾器。濾波器的陡峭過渡頻帶會(huì)增加插入損耗，并減低放大器 OIP3，這會(huì)導(dǎo)致傳感器信號(hào)失真。圖 1 所示電路達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)。

　　圖 1：單端至差分接口至高速 ADC

　　SINGLE ENDED INPUT：單端輸入

　　所采用的 ADC 是 LTC2195，該器件是一款 16 位 125Msps、同時(shí)采樣、雙通道 ADC，用單一 1.8V 電源工作。該器件以每通道 216mW 的功率實(shí)現(xiàn)了與消耗 1.25W 功率的 ADC 幾乎同樣的 SNR 性能。LVDS 串行接口允許該器件占用的電路板空間不到以前 ADC 的一半，還由于減少了 I/O 數(shù)，還允許使用更小的 FPGA。這個(gè)電路與 LTC6406 一起，僅消耗 275mW 功率，這對(duì)多通道系統(tǒng)而言是一個(gè)顯然的優(yōu)勢。這個(gè)電路可以非常容易地應(yīng)用于該系列的 14 位和 12 位器件，或應(yīng)用于以低得多的采樣率采樣的轉(zhuǎn)換器，從而進(jìn)一步節(jié)省了功率。

　　圖 2 顯示了這個(gè)電路的性能。結(jié)果顯示，在低輸入頻率時(shí)，放大器的線性度不會(huì)降低 ADC 的 SFDR。SNR 也保持在 76.5dB 不變。當(dāng)以單位增益使用時(shí)，LTC6406 不降低 LTC2195 的 SNR 或 SFDR。

　　圖 2：FS = 125Msps 和 FIN = 1MHz 時(shí)，圖 1 電路的 FFT 結(jié)果

　　AMPLITUDE：幅度

　　FREQUENCY：頻率

　　結(jié)論

　　無論就固定式安裝還是就便攜式設(shè)備而言，向“綠色”儀表和測試設(shè)備發(fā)展的趨勢是不可避免的。隨著性能的提高和功耗要求的降低，匹配整個(gè)信號(hào)鏈路的組件變得非常重要了。就 16 位性能而言，LTC2195 這款 ADC 最適合分辨率很高且關(guān)注功率的傳感器應(yīng)用，而 LTC6406 則是一個(gè)匹配很好的驅(qū)動(dòng)器放大器，該放大器不會(huì)使 LTC2195 的性能打折扣，而且其功率要求也很低。通過用一個(gè)相對(duì)低階的濾波器來降低放大器的寬帶噪聲，該 ADC 的數(shù)據(jù)表性能可以非常容易地實(shí)現(xiàn)。LTC2195 與 LTC6406 的配對(duì)組合適用于任何便攜式圖像傳感器應(yīng)用，同時(shí)提供了卓越的性能和低功耗。