用于工業(yè)級(jí)信號(hào)的精密單電源差分ADC驅(qū)動(dòng)器

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　標(biāo)準(zhǔn)單端工業(yè)信號(hào)電平（±5 V、±10 V或0 V至+10 V）與現(xiàn)代高性能16位或18位單電源SAR型ADC的差分輸入范圍并不直接兼容，需要使用適當(dāng)?shù)慕涌?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/驅(qū)動(dòng)">驅(qū)動(dòng)電路對(duì)工業(yè)信號(hào)進(jìn)行衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換，使其具有與ADC輸入要求相匹配的正確幅度和共模電壓。雖然可以利用電阻網(wǎng)絡(luò)和雙通道運(yùn)放來(lái)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，但電阻的比率匹配誤差和放大器之間的誤差會(huì)形成最終輸出端的誤差。特別是在低功耗水平上，實(shí)現(xiàn)所需的輸出相位匹配和建立時(shí)間可能非常困難。

　　圖1所示電路采用差分放大器 AD8475 執(zhí)行衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換，無(wú)需任何外部元件。其交流和直流性能兼容18位、1 MSPSAD7982 PulSAR? ADC以及該系列的其它16/18位產(chǎn)品，采樣速率可高達(dá)4 MSPS。

圖1. 單端轉(zhuǎn)差分ADC驅(qū)動(dòng)器（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

　　AD8475是一款全差分衰減放大器，集成精密薄膜增益設(shè)置電阻，可提供精密衰減（0.4×或0.8×）、共模電平轉(zhuǎn)換、單端差分轉(zhuǎn)換及輸入過(guò)壓保護(hù)等功能。采用5 V單電源供電時(shí)，其功耗僅為15 mW。18位、1 MSPS AD7982的功耗僅為7 mW，比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低30倍。該組合的總功耗僅為22 mW。

　　電路描述

　　采用5 V單電源供電時(shí)，衰減放大器AD8475和18位差分ADC AD7982可以在高精度模擬前端系統(tǒng)中用于處理大電壓信號(hào)。

　　AD8475通過(guò)其集成的精密調(diào)整電阻，將輸入信號(hào)衰減0.4倍。采用5 V單電源時(shí)，它支持高達(dá)25 V峰峰值的電壓。在低頻時(shí)，差分軌到軌輸出僅需50 mV的裕量。AD8475可以由真差分輸入驅(qū)動(dòng)，或者由單端輸入驅(qū)動(dòng)并提供單端差分轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

　　AD8475與ADC之間的RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)單極點(diǎn)濾波器，可降低不良混疊效應(yīng)和高頻噪聲。該濾波器的共模帶寬為29.5 MHz（20 Ω、270 pF），差分帶寬為3.1 MHz（40 Ω、1.3 nF）。

　　AD7982是一款18位、逐次逼近(SAR)型ADC，采用單電源(VDD)供電。I/O接口電壓VIO可以在1.8 V至5 V范圍內(nèi)設(shè)置，取決于接口邏輯電源。AD7892具有真差分輸入端，支持高達(dá)±VREF 的電壓。ADR435 是一款5 V、低噪聲（8 μV峰峰值，0.1 Hz至10 Hz）、高精度（B級(jí)為±2 mV）基準(zhǔn)電壓源，用于提供AD7982的REF電壓和差分驅(qū)動(dòng)器AD8475的電源電壓。

　　兩個(gè)連接到ADR435輸出端的10 kΩ電阻構(gòu)成一個(gè)分壓器，用于設(shè)置AD8475輸出端的2.5 V共模電壓(VOCM)。這使得輸入差分信號(hào)以最佳共模輸入電壓為中心，從而最大化ADC的動(dòng)態(tài)范圍。

　　對(duì)于20 V峰峰值單端輸入信號(hào)，各差分輸出端產(chǎn)生一個(gè)擺幅為+0.5 V至+4.5 V、180°反相的信號(hào)。

　　將一個(gè)20 kHz、20 V峰峰值信號(hào)輸入AD8475時(shí)，最終SNR為96.3 dBFS，THD為?112.3 dBFS；這兩個(gè)參數(shù)均參考AD7982的滿(mǎn)量程范圍，如圖2的FFT圖所示。

　　FFT圖下方表格所示的信號(hào)電平是在A(yíng)D7982的輸入端測(cè)得。此點(diǎn)的滿(mǎn)量程范圍為10 V峰峰值差分，反映到AD8475的輸入端為25 V峰峰值。輸入測(cè)試信號(hào)為20 V峰峰值，所產(chǎn)生的信號(hào)比ADC的滿(mǎn)量程輸入低2 dB。

圖2. 20 kHz信號(hào)的FFT圖，比滿(mǎn)量程低2 dB，采樣頻率1 MSPS

　　注意在這些條件下，AD8475各輸出端的擺幅為供電軌的±500 mV范圍，由于它為軌到軌輸出結(jié)構(gòu)，因此仍能實(shí)現(xiàn)出色的失真性能。

　　此電路已利用AD8475評(píng)估板(EVAL-AD8475Z)和ADI公司的PulSAR評(píng)估板及軟件進(jìn)行過(guò)測(cè)試。EVAL-AD8475Z是一款客戶(hù)評(píng)估板，旨在簡(jiǎn)化對(duì)AD8475性能和功能的獨(dú)立測(cè)試。該評(píng)估板還能結(jié)合ADI公司的任何SAR轉(zhuǎn)換器進(jìn)行快速測(cè)試，其輸出連接器能夠直接與PulSAR評(píng)估板 (EVAL-AD76xx-CBZ) 的模擬輸入連接器(SMB)相連。ADC轉(zhuǎn)換器評(píng)估和開(kāi)發(fā)板 (EVAL-CED1Z) 將該設(shè)置通過(guò)USB連接到一臺(tái)PC，如圖3所示。

　　AD8475的輸入信號(hào)由Audio Precision? AP2700源提供。基于LabVIEW?的PulSAR評(píng)估軟件可以用來(lái)控制Audio Precision輸入信號(hào)，還能用來(lái)監(jiān)控ADC的輸入端和輸出端。

圖3. SAR ADC轉(zhuǎn)換器評(píng)估平臺(tái)。注意：AD8475差分放大器評(píng)估板連接到PulSAR ADC評(píng)估板的SMB模擬輸入連接器

　　常見(jiàn)變化

　　經(jīng)驗(yàn)證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度?？梢允褂肁DI公司的其它模數(shù)轉(zhuǎn)換器代替AD7982，以實(shí)現(xiàn)所需的最高性能。AD8475最高能夠驅(qū)動(dòng)18位、4 MSPS的ADC，性能下降幅度極小。采樣速率較快的18位ADC包括 AD7984 (1.33 MSPS)和 AD7986 (2 MSPS)。差分16位ADC包括 AD7688 (500 kSPS)和 AD7693 (500 kSPS)。

　　AD8475也可以直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)單端或偽差分輸入ADC?？梢詫D8475的軌到軌輸出端驅(qū)動(dòng)到各供電軌的0.5 V范圍內(nèi)，而不會(huì)引起交流性能的明顯下降。

　　通過(guò)驅(qū)動(dòng)IN 0.8×輸入端，AD8475也能提供0.8倍的差分衰減。其電源電壓非常靈活，既可以采用3 V至10 V單電源供電，也可以采用最高±5 V的雙電源供電。