超低功耗、18位、差分PULSAR ADC驅(qū)動(dòng)(CN0237)

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路使用超低功耗、18位1 MSPS ADC AD7982 ，由低功耗全差分放大器ADA4940-1來驅(qū)動(dòng)。低噪聲精密5.0V基準(zhǔn)電壓源 ADR395用于提供該ADC所需的5V電源。圖1所示的所有IC均采用3 mm × 3 mm LFCSP或3 mm × 5 mm MSOP小型封裝，從而有助于降低電路板成本和空間。

電路中ADA4940-1的功耗不到9 mW。18位1 MSPS AD7982 ADC的功耗僅7 mW (1 MSPS時(shí))，遠(yuǎn)低于市面上的同類ADC。此功耗也隨吞吐量而變化。ADR395功耗僅為0.7mW，使系統(tǒng)總功耗低于17 mW。

圖1 高性能18位差分ADC驅(qū)動(dòng)器(簡易原理圖：未顯示所有連接和去耦)

電路描述

諸如AD7982 18位1 MSPS PulSAR® ADC等現(xiàn)代高分辨率SAR ADC需要差分驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。在這類應(yīng)用場合，ADC驅(qū)動(dòng)器接收差分或單端信號(hào)，并執(zhí)行所需的電平轉(zhuǎn)換以在適當(dāng)?shù)碾娖较买?qū)動(dòng)ADC輸入端。

圖1顯示ADA4940-1差分放大器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換并驅(qū)動(dòng)18位AD7982差分輸入逐次逼近型PulSAR ADC。利用四個(gè)電阻，ADA4940-1既能以增益1來緩沖信號(hào)，也可放大信號(hào)獲得更大動(dòng)態(tài)范圍。交流和直流性能兼容18位1 MSPS PulSAR® ADC AD7982和該系列的其它16及18位器件，采樣率最高可達(dá)2 MSPS。該電路也可接受單端輸入信號(hào)以產(chǎn)生相同的全差分輸出信號(hào)。

AD7982采用2.5 V的VDD單電源供電。它內(nèi)置一個(gè)低功耗、高速、18位采樣ADC和一個(gè)多功能串行接口端口?；鶞?zhǔn)電壓(REF)從ADR395精密低壓差(0.3 V)帶隙基準(zhǔn)源由外部獲得，并可獨(dú)立于電源電壓來設(shè)定。ADA4940-1具有直流耦合輸入和輸出，并視需要執(zhí)行一次差分或單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換。它還可以緩沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。一個(gè)單極1.8 MHz R-C(33 Ω，2.7 nF)噪聲濾波器放在運(yùn)算放大器輸出和ADC輸入之間。該濾波器還可以將運(yùn)算放大器輸出與內(nèi)部采樣保持功能在ADC輸入端所引起的切換突波隔離開來。

ADA4940-1由7 V電源(+6 V和–1 V)供電，這樣對(duì)于ADC滿量程輸入必須在0V至5V之間擺動(dòng)時(shí)，輸出能夠提供足夠的裕量。

增益由反饋電阻(R2 = R4)和增益電阻(R1 = R3)比率來設(shè)定。此外，該電路可用于進(jìn)行單端或差分輸入轉(zhuǎn)差分輸出轉(zhuǎn)換。需要時(shí)，可在輸入端并聯(lián)一個(gè)端接電阻。無論輸入為單端還是差分輸入，均可如 MT-076 教程 和DiffAmpCalc™差分放大器計(jì)算器所示來計(jì)算放大器的輸入阻抗。

如果 R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ，單端輸入阻抗約為1.33 kΩ。外部52.3 Ω端接電阻提供一個(gè)50 Ω源端接電阻。反相輸入端的一個(gè)額外25.5 Ω(總共1025.5 Ω)可平衡驅(qū)動(dòng)同相輸入的50 Ω源端接電阻的并聯(lián)阻抗(52.3 Ω || 50 Ω = 25.5 Ω)。但是，如果使用差分源輸入，則差分輸入阻抗為2 kΩ。此時(shí)，視需要使用兩個(gè)52.3 Ω端接電阻來端接每個(gè)輸入。

圖2 20 kHz信號(hào)、滿量程以下0.5 dB、采樣頻率為1 MSPS的FFT曲線圖(32,000點(diǎn))

針對(duì)此電路上的測(cè)試，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)10 V p-p差分輸出。為了降低噪聲，VOCM輸入被旁路，并通過外部1%電阻來設(shè)置，以便在5V基準(zhǔn)電源下獲得最寬的輸出動(dòng)態(tài)范圍。輸出共模電壓為2.5 V時(shí)，ADA4940-1各輸出的擺幅在0 V至5 V之間，相位相反，向ADC輸入端提供增益為1、10 V p-p的差分信號(hào)。FFT性能如圖2所示，歸納如下：

SNR = 95.06 dBFS (不含諧波)

SINAD = 95.03 dBFS

SFDR = 105.02 dBFS

THD = −115.89 dBFS

INL和DNL性能如圖3所示。

圖3 20 kHz信號(hào)、采樣頻率為1 MSPS的INL和DNL曲線圖

常見變化

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。其他模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以取代AD7982來實(shí)現(xiàn)所需的最高性能。 ADA4940-1/ ADA4940-2 針對(duì)驅(qū)動(dòng)16位和18位ADC而優(yōu)化，性能下降少。采樣速度更快的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)。

ADA4940-1/ADA4940-2軌到軌輸出可驅(qū)動(dòng)至每個(gè)供電軌的±0.5 V范圍內(nèi)，而交流性能不會(huì)明顯下降。諸如AD8137 和ADA4941-1 等其他差分ADC驅(qū)動(dòng)器也可用來在重視速度、輸入阻抗等因素的其他應(yīng)用中取代ADA4940-1。

電路評(píng)估與測(cè)試

此電路將修改后的 EVAL-AD7982SDZ PulSAR AD7982評(píng)估板連接到轉(zhuǎn)換器評(píng)估和開發(fā)板(EVAL-CED1Z)進(jìn)行測(cè)試。

修改后的AD7982評(píng)估板可用于ADA4940-1差分ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC395基準(zhǔn)電壓源。

EVAL-AD7982SDZ是一款用戶評(píng)估板，用以簡化18位AD7982 PulSAR ADC的獨(dú)立性能和功能測(cè)試。

EVAL-CED1Z板是一種使用ADI精密轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)評(píng)估、演示和開發(fā)平臺(tái)。它提供轉(zhuǎn)換器和PC之間所需的通信，編程或控制器件，通過USB線收發(fā)數(shù)據(jù)(如圖4和圖5所示)。

圖4. PulSAR ADC評(píng)估平臺(tái)

圖5. 測(cè)試設(shè)置功能框圖

設(shè)備要求

除了上述兩塊評(píng)估板外，ADA4940-1還需要+6 V至–1 V的外部電源。EVAL-CED1Z采用壁式電源適配器提供+7.5 V直流電壓。其他合適電壓從EVAL-CED1Z供給AD7982評(píng)估板。

低失真信號(hào)源Audio Precision® SYS-2702用來實(shí)現(xiàn)所需性能。運(yùn)行PulSAR評(píng)估軟件需采用配有Windows® XP或Windows 7系統(tǒng)及USB端口的PC。