如何用低功耗ADC實(shí)現(xiàn)“綠色”采集

很久以前，精確的電氣測(cè)量是在原始實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行的，在這類環(huán)境中具有充足的電力供應(yīng)，時(shí)間分配也能確保極高的準(zhǔn)確性。而今天，人們希望將儀表攜帶到現(xiàn)場(chǎng)，讓其靠電池電源運(yùn)行，甚至立即實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性。模擬電路與數(shù)字電路不同，它不會(huì)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(cè)量的大敵）實(shí)際上將會(huì)增加?？梢岳斫?，隨著新低壓工藝的出現(xiàn)，信噪比（SNR）將變得更差，因?yàn)樾盘?hào)幅度在減小。那么，在提高性能的同時(shí)，模擬信號(hào)鏈怎樣才能走向綠色呢？

　　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(cè)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(shí)，數(shù)字圖像傳感器為高速ADC饋送信號(hào)。在某些情況下會(huì)有很多個(gè)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(guò)，即使是固定安裝設(shè)備，也需關(guān)注功率（無(wú)論是應(yīng)對(duì)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(shì)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(shí)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(jì)。

　　凌力爾特（Linear）公司開(kāi)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等級(jí)提供了卓越的動(dòng)態(tài)性能。這些新型器件無(wú)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(shí)現(xiàn)較高的通道密度，同時(shí)還可確保系統(tǒng)中的熱耗散最低。不過(guò)，ADC只是該鏈路中的一部分。整個(gè)信號(hào)鏈必須得到良好匹配，以使儀表順利工作。

　　匹配信號(hào)通路設(shè)計(jì)

　　對(duì)于需要16位性能和超低功耗以延長(zhǎng)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(gè)完美的例子。在很多應(yīng)用中，來(lái)自傳感器的信號(hào)必須在ADC采樣前進(jìn)行調(diào)節(jié)。就這項(xiàng)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(shí)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(jì)靈活性。低功耗（3.3V供電時(shí)為59mW）最大限度地降低了對(duì)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫配對(duì)（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(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換。如果DC的響應(yīng)也需要進(jìn)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(jìn)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(gè)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(hù)放大器。高階濾波器則并不需要，因?yàn)榉糯笃鞯脑肼曄喈?dāng)?shù)?。轉(zhuǎn)折頻率為12MHz的濾波器用在此處就已足夠，它不會(huì)降低ADC的性能。

　　最終的濾波器應(yīng)被設(shè)計(jì)為僅降低放大器的寬帶噪聲，而不是作為具有陡峭過(guò)渡帶的選擇性濾波器。濾波器的陡峭過(guò)渡帶會(huì)增加插入損耗，并降低放大器的OIP3,這會(huì)導(dǎo)致傳感器信號(hào)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(shí)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(shí)，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(duì)于多通道系統(tǒng)而言是一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，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(jìn)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(shí)，放大器的線性度不會(huì)降低ADC的SFDR,同時(shí)，SNR也保持在76.5dB不變。當(dāng)以單位增益使用時(shí)，LTC6406不會(huì)降低LTC2195的SNR或SFDR.




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

本文小結(jié)

　　無(wú)論對(duì)固定安裝還是對(duì)便攜設(shè)備而言，向綠色儀表和測(cè)試設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)不可避免。隨著性能水平提高和功耗要求下降，匹配整個(gè)信號(hào)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(dòng)器放大器，該放大器不會(huì)使LTC2195性能打折扣，而且其功率要求也很低。通過(guò)使用一個(gè)相對(duì)低階的濾波器來(lái)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(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，并提供了卓越的性能和低功耗。