如何用低功耗ADC實現(xiàn)“綠色”采集

很久以前，精確的電氣測量是在原始實驗室環(huán)境中進行的，在這類環(huán)境中具有充足的電力供應(yīng)，時間分配也能確保極高的準(zhǔn)確性。而今天，人們希望將儀表攜帶到現(xiàn)場，讓其靠電池電源運行，甚至立即實現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性。模擬電路與數(shù)字電路不同，它不會從較小幾何尺寸產(chǎn)生的尺度效應(yīng)中受益。如果功率消耗較少，那么噪聲（精確測量的大敵）實際上將會增加。可以理解，隨著新低壓工藝的出現(xiàn)，信噪比（SNR）將變得更差，因為信號幅度在減小。那么，在提高性能的同時，模擬信號鏈怎樣才能走向綠色呢？

　　很多高速儀表的核心是一個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。例如：金屬物體的非破壞性測試就采用了一種類似于醫(yī)療超聲的成像方法，采用這種方法時，數(shù)字圖像傳感器為高速ADC饋送信號。在某些情況下會有很多個通道，因此，尺寸和功耗成為關(guān)鍵。便攜式儀表顯然需要節(jié)省電池電力，不過，即使是固定安裝設(shè)備，也需關(guān)注功率（無論是應(yīng)對綠色倡議，還是僅僅要在外形緊湊的儀表中最大限度地降低熱耗散）。ADC的發(fā)展趨勢是遷移至更小的工藝尺寸，并使用1.8V電源以降低功耗，但要實現(xiàn)與類似3V器件同樣或者更高的性能，就需要更明智的ADC設(shè)計。

　　凌力爾特（Linear）公司開發(fā)出了幾款引腳兼容，采樣率高達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等級提供了卓越的動態(tài)性能。這些新型器件無需減少功能或者提高前端放大器要求，就可以極大地降低功耗。由于可以選用單、雙、4和8通道ADC,因此客戶可以實現(xiàn)較高的通道密度，同時還可確保系統(tǒng)中的熱耗散最低。不過，ADC只是該鏈路中的一部分。整個信號鏈必須得到良好匹配，以使儀表順利工作。

　　匹配信號通路設(shè)計

　　對于需要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。便攜式儀表就是一個完美的例子。在很多應(yīng)用中，來自傳感器的信號必須在ADC采樣前進行調(diào)節(jié)。就這項任務(wù)而言，選擇與ADC性能匹配的低噪聲、低功耗放大器非常重要，例如：可以選擇LTC6406,它與LTC2195系列可以良好匹配。

　　LTC6406是一款具有低噪聲（在輸入端為1.6nV/√Hz）和高線性度（在20MHz時為+44dBm OIP3）的全差分放大器，它采用小型的3mm×3mm QFN封裝。由外部電阻設(shè)定增益，從而為用戶提供了最大的設(shè)計靈活性。低功耗（3.3V供電時為59mW）最大限度地降低了對系統(tǒng)功耗預(yù)算的影響。這款放大器同樣具有下延至0.5V的共模電壓范圍，這意味著它可以與LTC2195實現(xiàn)無縫配對（LTC2195具有0.9V的標(biāo)稱共模電壓）。

　　一般情況下，數(shù)字傳感器輸出為單端。這就需要在ADC采樣之前，進行單端至差分轉(zhuǎn)換。如果DC的響應(yīng)也需要進行轉(zhuǎn)換，那么就不能使用變壓器。這種情況下就需要諸如LTC6406這種能夠進行單端至差分轉(zhuǎn)換的低噪聲放大器。

　　在該放大器之后必須放置一個濾波器，以降低放大器的寬帶噪聲，并將放大器輸出與ADC輸入隔離（ADC輸入將產(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，從而保護放大器。高階濾波器則并不需要，因為放大器的噪聲相當(dāng)?shù)汀＾D(zhuǎn)折頻率為12MHz的濾波器用在此處就已足夠，它不會降低ADC的性能。

　　最終的濾波器應(yīng)被設(shè)計為僅降低放大器的寬帶噪聲，而不是作為具有陡峭過渡帶的選擇性濾波器。濾波器的陡峭過渡帶會增加插入損耗，并降低放大器的OIP3,這會導(dǎo)致傳感器信號失真。


　　圖1采用的ADC是LTC2195.該器件是一款16位125Msps,同步采樣、雙通道ADC,它采用1.8V單電源工作。該器件以每通道216mW功耗，實現(xiàn)了與消耗1.25W功率的ADC幾乎相同的SNR性能。LVDS串行接口允許該器件占用不到以前ADC一半的電路板空間，同時，由于減少了I/O數(shù)，還允許使用更小的FPGA.該電路與LTC6406結(jié)合，僅消耗275mW功率，這對于多通道系統(tǒng)而言是一個明顯優(yōu)勢。同時，該電路可非常容易地應(yīng)用于該系列14位和12位器件，或是以低得多的采樣率采樣的轉(zhuǎn)換器，從而進一步節(jié)省功耗。

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




圖2:當(dāng)FS=125Msps和FIN=1MHz時，圖1電路的FFT結(jié)果。幅度（dB），頻率（MHz）

本文小結(jié)

　　無論對固定安裝還是對便攜設(shè)備而言，向綠色儀表和測試設(shè)備發(fā)展的趨勢不可避免。隨著性能水平提高和功耗要求下降，匹配整個信號鏈元器件正變得非常重要。就16位性能而言，LTC2195這款A(yù)DC是需要關(guān)注功率和高分辨率傳感器應(yīng)用的理想選擇，而LTC6406則是一款良好匹配的驅(qū)動器放大器，該放大器不會使LTC2195性能打折扣，而且其功率要求也很低。通過使用一個相對低階的濾波器來降低放大器的寬帶噪聲，該ADC的數(shù)據(jù)表性能可非常容易地實現(xiàn)。LTC2195與LTC6406的配對組合適用于任何便攜式圖像傳感器應(yīng)用，并提供了卓越的性能和低功耗。