精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中的常見難點(diǎn)解析
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許多應(yīng)用都要求采用精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈以數(shù)字化模擬數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確采集和處理。精密系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨越來(lái)越大的壓力，需要找到創(chuàng)新的辦法，提高性能、降低功耗，同時(shí)還要在小型PCB電路板上容納更高的電路密度。本文旨在討論精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中遇到的常見難點(diǎn)，探討如何運(yùn)用16位/18位、2 MSPS、精密逐次逼近寄存器(SAR) ADC解決這些難點(diǎn)。
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202409/462857.htmAD4000/AD4003（16位/18位）ADC基于ADI的高級(jí)技術(shù)設(shè)計(jì)而成，集成了多種簡(jiǎn)單易用的特性，具有多種系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，有助于降低信號(hào)鏈功耗，降低信號(hào)鏈復(fù)雜性，提高通道密度，同時(shí)還能提高性能水平。 本文將重點(diǎn)討論數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)性能和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，說(shuō)明該ADC系列如何在多個(gè)終端市場(chǎng)形成應(yīng)用級(jí)影響。
常見的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)難點(diǎn)
圖1顯示了在構(gòu)建精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)使用的典型信號(hào)鏈。要求精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用（如自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、機(jī)械自動(dòng)化、工業(yè)和醫(yī)療儀器儀表）呈現(xiàn)出通常被認(rèn)為在技術(shù)上相沖突的共同趨勢(shì)。例如，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師被迫在性能上妥協(xié)，以維持緊張的系統(tǒng)功率預(yù)算，或者在電路板上保留較小的面積以實(shí)現(xiàn)高通道密度。這些精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在多個(gè)方面面臨著共同的挑戰(zhàn)：驅(qū)動(dòng)SAR ADC輸入；保護(hù)ADC輸入以使其免受過(guò)壓事件影響；用單電源降低系統(tǒng)功耗；用低功耗微控制器和/或數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)吞吐量等。
圖1. 典型的精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈受開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)影響，高分辨率精密SAR ADC的驅(qū)動(dòng)一直是個(gè)棘手的問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要密切關(guān)注ADC驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解噪聲、失真、輸入/輸出電壓上裕量/下裕量、帶寬和建立時(shí)間等技術(shù)規(guī)格。一般地，采用的高速ADC驅(qū)動(dòng)器需要具備寬帶寬、低噪聲和高功率等特征，以便在可用采集時(shí)間內(nèi)建立SAR ADC輸入的開關(guān)電容反沖。這項(xiàng)要求會(huì)大幅減少用于驅(qū)動(dòng)ADC的可用放大器選擇，不得不在性能/功率/面積方面進(jìn)行大幅妥協(xié)。另外，選擇一款合適的RC濾波器置于驅(qū)動(dòng)器與ADC輸入之間，這項(xiàng)要求又對(duì)放大器選擇和性能構(gòu)成了進(jìn)一步的限制。ADC驅(qū)動(dòng)器輸出與SAR ADC輸入之間需要用RC濾波器來(lái)限制寬帶噪聲，減少電荷反沖的影響。一般情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要花費(fèi)大量時(shí)間去評(píng)估信號(hào)鏈，確保所選ADC驅(qū)動(dòng)器和RC濾波器能切實(shí)驅(qū)動(dòng)ADC，以實(shí)現(xiàn)所需性能。
在功耗敏感型應(yīng)用（如電池供電儀器儀表）中，通常需要用低壓?jiǎn)坞娫磥?lái)運(yùn)行系統(tǒng)。這雖然較大限度地降低了電路的功耗，但卻給放大器前端帶來(lái)了上裕量和下裕量問題。這意味著，可能無(wú)法使用ADC輸入的全部范圍，因?yàn)轵?qū)動(dòng)放大器無(wú)法一直驅(qū)動(dòng)到地，也無(wú)法一直驅(qū)動(dòng)到ADC輸入范圍的上限，結(jié)果會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的性能。這種情況可以通過(guò)提高電源電壓來(lái)彌補(bǔ)，但其代價(jià)是會(huì)增加功耗，或者造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍性能下降。
多數(shù)ADC模擬輸入（IN+和IN?）除ESD保護(hù)二極管以外沒有過(guò)壓保護(hù)電路。在放大器電軌大于VREF且小于地的應(yīng)用中，輸出有可能超過(guò)器件的輸入電壓范圍。在過(guò)壓事件中，兩個(gè)連接REF的模擬輸入（IN+或IN?）引腳之間的ESD保護(hù)二極管正向偏置連接REF的輸入引腳并使其短路，有可能使基準(zhǔn)電壓源過(guò)載，導(dǎo)致器件損毀，或者干擾在多個(gè)ADC之間共用的基準(zhǔn)電壓源。結(jié)果就需要為ADC輸入添加肖特基二極管一類的保護(hù)電路，避免過(guò)壓條件損害ADC。不幸的是，肖特基二極管可能會(huì)因漏電流而增加失真及其他誤差。
精密應(yīng)用在連接ADC的處理器方面有著不同的需求。出于安全考慮，有些應(yīng)用需要使用電氣隔離機(jī)制，并在ADC與處理器之間使用數(shù)字隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。這種處理器選擇和隔離需求對(duì)用于連接ADC的數(shù)字接口的效率形成了限制。一般地，低端處理器/FPGA或低功耗微控制器都擁有較低的串行時(shí)鐘速率。這可能導(dǎo)致ADC的吞吐量低于預(yù)期，因?yàn)樵谳敵鲛D(zhuǎn)換結(jié)果之前存在較長(zhǎng)的ADC轉(zhuǎn)換延時(shí)。數(shù)字隔離器也可能限制在隔離柵上可以實(shí)現(xiàn)的最大串行時(shí)鐘速率，因?yàn)楦綦x器中的傳播延遲會(huì)限制ADC吞吐量。在這些情況下，最好使用既可實(shí)現(xiàn)更高吞吐速率，又無(wú)需大幅增加串行時(shí)鐘速率的ADC。
AD4000/AD4003精密SAR ADC
AD4000/AD4003系列是基于SAR架構(gòu)的快速、低功耗、單電源、16位/18位精密ADC， 將高性能與簡(jiǎn)單易用的特性獨(dú)特地結(jié)合在一起，可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性，簡(jiǎn)化信號(hào)鏈BOM，并大幅縮短上市時(shí)間（見圖2）。借助該系列，設(shè)計(jì)師可以解決精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)挑戰(zhàn)，并且無(wú)需做出重大折衷。例如，留給用戶更長(zhǎng)的采集時(shí)間、高輸入阻抗(Z)模式和跨度壓縮模式等特性在AD4000/AD4003 ADC系列中的結(jié)合可以減少與ADC驅(qū)動(dòng)器級(jí)設(shè)計(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)，增加ADC驅(qū)動(dòng)器選擇的靈活性。這樣就可以降低系統(tǒng)總功耗，提高密度，縮短客戶設(shè)計(jì)周期。通過(guò)SPI接口寫入配置寄存器，可以使能/禁用多數(shù)簡(jiǎn)單易用的特性。注意，AD4000/AD4003 ADC系列與10引腳AD798x/AD769x ADC系列引腳兼容。
圖2. AD4000/AD4003 ADC的主要優(yōu)勢(shì)
長(zhǎng)采集階段
AD4000/AD4003 ADC擁有更短的轉(zhuǎn)換時(shí)間290 ns，ADC會(huì)在當(dāng)前轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束前100 ns返回采集階段。SAR ADC周期時(shí)間由轉(zhuǎn)換階段和采集階段構(gòu)成。在轉(zhuǎn)換階段，ADC電容DAC與ADC輸入斷開，以執(zhí)行SAR轉(zhuǎn)換。輸入在采集階段重新連接，ADC驅(qū)動(dòng)器必須在下一個(gè)轉(zhuǎn)換階段開始之前將輸入建立至正確的電壓。較長(zhǎng)的采集階段可以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)放大器的建立要求，并且允許較低的RC濾波器截止頻率，這意味著可以使用噪聲較高且/或功率/帶寬較低的放大器?？梢栽赗C濾波器中使用較大的R值和較小的對(duì)應(yīng)C值，減少放大器穩(wěn)定性問題，同時(shí)也不會(huì)大幅影響失真性能。較大的R值有助于在過(guò)壓條件下保護(hù)ADC輸入；同時(shí)還能降低放大器中的動(dòng)態(tài)功耗。
高輸入阻抗模式
為了達(dá)到高分辨率精密SAR ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)中列示的優(yōu)質(zhì)性能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常不得不使用專用的高功率、高速放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)其精密應(yīng)用中的傳統(tǒng)型開關(guān)電容SAR ADC輸入。這是在精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的難點(diǎn)之一。高Z模式的優(yōu)勢(shì)在于，能在慢速(<10 kHz)或直流類信號(hào)條件下支持低輸入電流，并且可在高達(dá)100 kHz的輸入頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的失真(THD)性能。
AD4000/AD4003 ADC集成了一個(gè)高Z模式，在采集開始時(shí)，可以在電容DAC切換回輸入時(shí)減少非線性電荷反沖。在使能高Z模式時(shí)，電容DAC在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)充電，以保持上次采樣的電壓。這一過(guò)程可以減少轉(zhuǎn)換過(guò)程的任何非線性電荷效應(yīng)，該效應(yīng)會(huì)影響到下次采樣前在ADC輸入端采集的電壓。
圖3所示為AD4000/AD4003 ADC在高Z模式使能/禁用時(shí)的輸入電流。低輸入電流使ADC比市場(chǎng)上現(xiàn)有的傳統(tǒng)SAR ADC更易驅(qū)動(dòng)，即便是在高Z模式禁用的情況下。如果將圖3中高Z模式禁用時(shí)的輸入電流與上一代AD7982 ADC的輸入電流進(jìn)行比較，則會(huì)發(fā)現(xiàn)，AD4003已經(jīng)將1 MSPS條件下的輸入電流降低了4倍。高Z模式使能時(shí)，輸入電流進(jìn)一步降至次微安級(jí)。在輸入頻率超過(guò)100 kHz時(shí)，或者在多路復(fù)用輸入時(shí)，應(yīng)禁用高Z模式。
借助AD4000/AD4003 ADC降低的輸入電流，就能以比傳統(tǒng)SAR高得多的源阻抗來(lái)驅(qū)動(dòng)。這意味著，RC濾波器中的電阻值可以比傳統(tǒng)SAR設(shè)計(jì)大10倍。
圖3. 在高Z使能/禁用條件下的AD4003 ADC輸入電流與輸入差分電壓如圖4所示，AD4000/AD4003 ADC允許用帶較低截止頻率的RC濾波器的多種低功率/帶寬精密放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC，消除了使用專用高速ADC驅(qū)動(dòng)器的必要性，并且可以降低精密低帶寬應(yīng)用（信號(hào)帶寬<10 kHz）的系統(tǒng)功耗、尺寸和成本。最終，AD4000/AD4003允許基于目標(biāo)信號(hào)帶寬，而非基于開關(guān)電容SAR ADC輸入的建立要求來(lái)選擇ADC之前的放大器和RC濾波器。
圖4. 傳統(tǒng)精密信號(hào)鏈圖5和圖6所示為AD4003 ADC的SNR和THD性能，其中，在使能/禁用高Z及各種不同RC濾波器值的情況下，以2 MSPS的全速吞吐量驅(qū)動(dòng)AD4003 ADC時(shí)，使用的是ADA4077 (IQUIESCENT = 400 μA/放大器)， ADA4084 (I QUIESCENT = 600 μA/放大器)，
ADA4610 (I QUIESCENT = 1.5 mA/放大器) 精密放大器。在2.27 MHz RC帶寬和1 kHz輸入信號(hào)條件下使能高Z時(shí)，這些放大器可實(shí)現(xiàn)96 dB至99 dB的典型SNR以及優(yōu)于–110 dB的典型THD。在使能高Z模式時(shí)，甚至在R值大于200 Ω時(shí)，THD約改善了10 dB。即使在超低RC濾波器截止頻率條件下，最高SNR也接近99 dB。
在使能高Z時(shí)，ADC消耗約2 mW/MSPS的額外功耗，但這仍然顯著低于使用ADA4807-1 一類的專用ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)的功耗，從而可以節(jié)省PCB電路板面積和物料成本。對(duì)于多數(shù)系統(tǒng)，前端通常會(huì)限制信號(hào)鏈可以實(shí)現(xiàn)的整體交流/直流性能。從圖5和圖6所選的精密放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以看出，精密放大器自身的噪聲和失真性能在某個(gè)輸入頻率下主導(dǎo)著SNR和THD規(guī)格。然而，帶高Z模式的AD4003 ADC可以極大地增加驅(qū)動(dòng)器放大器的選擇，包括信號(hào)調(diào)理級(jí)中使用的精密放大器，同時(shí)還可提高RC濾波器選擇的靈活性。例如，當(dāng)AD4003 ADC的高Z使能并配合 ADA4084-2 驅(qū)動(dòng)器放大器使用一個(gè)4.42 MHz寬帶輸入濾波器時(shí)，SNR性能約為95 dB。如果用498 kHz濾波器對(duì)ADC驅(qū)動(dòng)器噪聲進(jìn)行強(qiáng)力濾波，SNR可提升3 dB，至98 dB。AD7982 ADC在較低RC截止頻率下的SNR性能下降是因?yàn)樵揂DC輸入未在較短的采集時(shí)間內(nèi)消除反沖。
圖5. 使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器時(shí)的SNR與RC帶寬
圖6. 使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器時(shí)的THD與RC帶寬圖7(a)表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以使用功率低2.5倍的ADC驅(qū)動(dòng)器ADA4077（相比ADA4807），在高Z模式禁用時(shí)，AD4003 ADC仍然能取得約97 dB的SINAD（比AD7982 ADC高3 dB）。即使RC帶寬增加至2.9MHz，ADA4077放大器也無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)AD7982 ADC并取得優(yōu)質(zhì)性能。如果用較低的RC帶寬截止頻率強(qiáng)力濾波，驅(qū)動(dòng)器無(wú)法在可用采集時(shí)間內(nèi)消除ADC反沖，ADC SINAD性能因而下降。在禁用或使能高Z模式時(shí)，AD4003 ADC的開關(guān)電容反沖大幅縮減，在1 MSPS時(shí)的采集時(shí)間長(zhǎng)2.5倍，因此，其SINAD性能仍然大幅優(yōu)于AD7982 ADC。
在使能高Z模式時(shí)，在較低RC濾波器截止頻率下使用兩個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器，AD4003 ADC的SINAD性能較好，這有助于在目標(biāo)信號(hào)寬帶較低時(shí)，消除更多來(lái)自上游信號(hào)鏈組件的寬帶噪聲。在不使能高Z模式時(shí)，RC濾波器截止頻率與SINAD性能之前存在折衷。
圖7. 使用ADA4077和ADA4807時(shí)AD4003 ADC和AD7982 ADC放大器驅(qū)動(dòng)器的比較：在禁用和使能高Z模式時(shí)的SINAD與RC帶寬(F S = 1 MSPS, f IN = 1 kHz)。
跨度壓縮
AD4000/AD4003 ADC集成了一個(gè)跨度壓縮模式，對(duì)僅用一個(gè)單電源為SAR ADC驅(qū)動(dòng)器供電的系統(tǒng)非常有用。該模式可以消除ADC驅(qū)動(dòng)器對(duì)負(fù)電源的要求，同時(shí)還能維持ADC的全分辨率，減少功耗，降低電源設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。如圖8所示，ADC可執(zhí)行數(shù)字縮放功能，映射從0 V至0.1 V × VREF的零電平代碼，以及從VREF至0.9 × VREF的滿量程代碼。在減小的輸入范圍內(nèi)，AD4000/AD4003 ADC的SNR約為~1.9dB (20*log(4/5))。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于采用5 V單電源且典型基準(zhǔn)電壓為4.096 V的子系統(tǒng)，滿量程輸入范圍為~0.41 V至3.69 V，為驅(qū)動(dòng)放大器提供了充足的裕量。
圖8. AD4000/AD4003 ADC跨度壓縮工作模式
過(guò)壓箝位
在放大器電軌大于VREF且小于地電壓的應(yīng)用中，輸出可以超出器件的輸入電壓范圍。當(dāng)正輸入超過(guò)范圍時(shí)，電流通過(guò)D1流入REF（見圖9），對(duì)基準(zhǔn)電壓源形成干擾。甚至更加糟糕的是，可能將基準(zhǔn)電壓源拉高至絕對(duì)最大基準(zhǔn)值的水平，因而可能損壞器件。
當(dāng)模擬輸入超過(guò)基準(zhǔn)電壓~400 mV時(shí)，AD4000/AD4003 ADC的內(nèi)部箝位電路將開啟，電流將通過(guò)箝位流入地，防止輸入進(jìn)一步升高而可能損壞器件。
圖9. AD4003 ADC等效模擬輸入電路如圖9所示，AD4000/AD4003 ADC的內(nèi)部過(guò)壓箝位電路有一個(gè)較大的外部電阻(REXT = 200Ω)，可以消除外部保護(hù)二極管的必要性（并由此消除額外電路板空間的必要性）。箝位在D1之前開啟，其最大吸電流能力為50 mA。箝位電路通過(guò)將輸入電壓箝位在安全工作范圍中來(lái)防止器件損壞，同時(shí)避免對(duì)基準(zhǔn)電壓源造成干擾，這對(duì)在多個(gè)ADC之間共用基準(zhǔn)電壓源的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要。
高效數(shù)字接口
AD4000/AD4003 ADC有一個(gè)靈活的數(shù)字串行接口，有七種不同的模式，并且具有寄存器編程能力。其Turbo模式允許用戶在ADC仍在轉(zhuǎn)換時(shí)開始輸出上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，如圖10所示。短轉(zhuǎn)換時(shí)間和Turbo模式相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)較低的SPI時(shí)鐘速率，簡(jiǎn)化隔離解決方案，降低數(shù)字隔離器的延遲要求，增加處理器選擇，包括低端處理器/FPGA或者串行時(shí)鐘速率相對(duì)低的低功耗微控制器。例如，運(yùn)行于1 MSPS時(shí)，AD4003 ADC可以使用比AD7982 ADC慢2.5倍的SPI時(shí)鐘速率（25 MHz相比于66 MHz）。用戶可以寫/讀回寄存器位，以使能AD4000/AD4003 ADC簡(jiǎn)單易用的特性，可以在轉(zhuǎn)換結(jié)果上附加一個(gè)6位的狀態(tài)字，實(shí)現(xiàn)診斷和寄存器讀回。串行接口規(guī)格完全支持低至1.8 V的邏輯電平，可以在這些條件下實(shí)現(xiàn)2 MSPS全速吞吐量。使能Turbo模式時(shí)，要在2 MSPS條件下運(yùn)行AD4003 ADC，需要的最低SCK速率為75 MHz。
圖10. AD4003 ADC的Turbo工作模式AD4000/AD4003 ADC性能
AD4000/AD4003 ADC采用1.8 V工作電壓，在2 MSPS下的典型功耗為14 mW/16 mW，線性度非常出色，最大值為±1.0 LSB (±3.8 ppm)，保證18位無(wú)失碼。圖11所示為AD4003 ADC的典型INL與代碼性能。AD4003 ADC可在高達(dá)奈奎斯特的超寬輸入頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)比AD7982 ADC更出色的SINAD性能（圖12），使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能開發(fā)出帶寬更寬、精度更高的儀器儀表設(shè)備。AD4000/AD4003 ADC采用小型10引腳封裝（提供3 mm × 3 mm LFCSP和3 mm × 5 mm MSOP兩種選項(xiàng)），與AD798x/AD769x ADC系列引腳兼容。
圖11. AD4003 ADC INL與代碼的關(guān)系
圖12. AD4003 ADC和AD7982 ADC SINAD與輸入頻率的關(guān)系AD4000/AD4003 ADC在每個(gè)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)自動(dòng)關(guān)斷；因此，其功耗和吞吐量呈線性變化關(guān)系，如圖13所示。這一特性使得該器件非常適合低采樣速率（甚至低至幾赫茲）和電池供電的便攜式和可穿戴式系統(tǒng)。即使在低占空比應(yīng)用中，第一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果也始終有效。
圖13. AD4003 ADC功耗與吞吐量的關(guān)系
系統(tǒng)應(yīng)用
AD4000/AD4003 ADC系列集簡(jiǎn)單易用的特性、高性能、小尺寸和低功耗等特點(diǎn)于一身，是諸多精密控制和測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用的理想選擇，如圖14所示。AD4000/AD4003 ADC可以降低測(cè)量不確定性，提高可重復(fù)性，支持高通道密度，并能提高自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、自動(dòng)化機(jī)械控制設(shè)備和醫(yī)療成像設(shè)備的吞吐效率。這款A(yù)DC非常適合需要更高頻率性能以捕獲快速瞬變和飛行時(shí)間信息的系統(tǒng)，比如功率分析儀、質(zhì)譜儀等應(yīng)用。
圖14. AD4000/AD4003 ADC終端系統(tǒng)應(yīng)用借助AD4000/AD4003 ADC系列，設(shè)計(jì)師可以解決精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)挑戰(zhàn)，無(wú)需做出重大折衷，還能縮短整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間。AD4000/AD4003 ADC的高性能可以提高測(cè)量精度，其小尺寸和低系統(tǒng)級(jí)散熱則可實(shí)現(xiàn)更高的密度。
評(píng)論