利用過(guò)采樣增加SAR ADC的動(dòng)態(tài)范圍

您使用過(guò)任何ADC（Δ-Σ或SAR）并使其工作在過(guò)采樣模式下嗎？ 您是否得到了需要的結(jié)果？ 您遇到過(guò)什么問(wèn)題嗎？

以前有些關(guān)于Δ-Σ和SAR（逐次逼近型）ADC概述中，曾討論過(guò)信噪比(SNR)和有效位數(shù)(ENOB)相關(guān)的過(guò)采樣技術(shù)。 過(guò)采樣技術(shù)最常用于Δ-Σ型ADC，但也可用于SAR ADC。 本文將對(duì)此做進(jìn)一步討論。 首先是系統(tǒng)級(jí)概要介紹：

用于光譜分析、磁共振成像(MRI)、氣相色譜分析、振動(dòng)、石油/天然氣勘探和地震儀的高性能數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈要求具備高動(dòng)態(tài)范圍(DR)性能，同時(shí)降低功耗、尺寸和成本。 獲得較高動(dòng)態(tài)范圍的一種方法，是對(duì)轉(zhuǎn)換器過(guò)采樣，以便精確監(jiān)控并測(cè)量來(lái)自傳感器微弱和強(qiáng)烈的輸入信號(hào)。

還有其它多種方法可以提升ADC動(dòng)態(tài)范圍，比如并行運(yùn)行多個(gè)ADC并對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行數(shù)字后期處理以獲得平均值，或者使用可編程增益放大器。 然而，有些設(shè)計(jì)師可能會(huì)覺(jué)得這些方法太麻煩，或者覺(jué)得不能在他們的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)——這主要是因?yàn)?strong>功耗、尺寸以及成本的限制。 本技術(shù)文章重點(diǎn)討論高吞吐速率、5 MSPS、18/16位精密SAR轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣，利用直觀的ADC樣本求均值，提升動(dòng)態(tài)范圍性能。

過(guò)采樣是一種 高性價(jià)比的過(guò)程，以大幅高于奈奎斯特頻率的速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，提升SNR和分辨率 (ENOB)，同時(shí)還能降低抗混疊濾波器的要求。 原則上講，對(duì)ADC進(jìn)行4倍過(guò)采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的動(dòng)態(tài)范圍。 提升過(guò)采樣率(OSR)可降低整體噪聲并增加DR，因?yàn)檫^(guò)采樣為ΔDR = 10log10 (OSR)，單位dB。

類似于Δ-Σ型ADC過(guò)采樣、高吞吐速率SAR ADC過(guò)采樣還能改善抗混疊性能，并降低總噪聲。 很多情況下，過(guò)采樣是Δ-Σ型ADC的固有屬性，可以順利實(shí)現(xiàn)，并且集成數(shù)字濾波器和抽取功能。 然而，Δ-Σ型ADC通常不適合用于輸入通道間的快速切換（多路復(fù)用）。 如圖1所示，Δ-Σ型ADC基本過(guò)采樣調(diào)制器對(duì)量化噪聲進(jìn)行整形，使其大部分出現(xiàn)在目標(biāo)帶寬以外，從而增加低頻下的整體動(dòng)態(tài)范圍。 然后，數(shù)字低通濾波器(LPF)過(guò)濾目標(biāo)帶寬以外的噪聲，抽取器降低輸出數(shù)據(jù)速率，使其回落至奈奎斯特速率。

圖1. 奈奎斯特轉(zhuǎn)換器過(guò)采樣

關(guān)于其實(shí)際工作原理的示例，可參考AD7960和AD7961器件。 這兩款器件分別是18/16位ADC，最高轉(zhuǎn)換速率為5 MSPS。 它們使用專有的容性數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，可降低噪聲并改善線性度，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生延遲或流水線延遲。 由于兼具低RMS噪聲和高吞吐速率性能，因而實(shí)現(xiàn)了低噪底。 這使得這些ADC適合于過(guò)采樣應(yīng)用。

AD7960/AD7961系列采用1.8 V和5 V電源供電，在自時(shí)鐘模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，5 MSPS速率的功耗僅為39 mW；而在回波時(shí)鐘模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，5 MSPS速率的功耗為46.5 mW。 如圖2所示，功耗隨吞吐速率線性變化，使其非常適合低功耗便攜式應(yīng)用。

圖2. AD7960功耗與吞吐速率的關(guān)系

圖3. AD7960/AD7961評(píng)估設(shè)置的原理示意圖（未顯示所有去耦）

AD7960/AD7961系列可將反相模擬輸入信號(hào)（IN+和IN−）的差分電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)。 模擬輸入IN+和IN−要求共模電壓等于基準(zhǔn)電壓的一半。 低噪聲、低功耗放大器AD8031緩沖來(lái)自低噪聲、低漂移ADR4550的5 V基準(zhǔn)電壓，還可緩沖AD7960/AD7961的共模輸出電壓(VCM)。

低噪聲和超低失真ADA4899-1配置為單位增益緩沖器，并以0 V至5 V差分反相（相互之間呈180°反相）驅(qū)動(dòng)AD7960/AD7961的輸入。 電路使用+7 V和-2.5 V電源，用于ADA4899-1驅(qū)動(dòng)器的輸入，以最大程度降低功耗，實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)失真性能。 使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板評(píng)估設(shè)置簡(jiǎn)化原理圖如圖3所示。

在本文第一部分，我們開(kāi)始討論采用SAR ADC來(lái)降低噪聲、增加動(dòng)態(tài)范圍和ENOB， 方法是基于過(guò)采樣——一般用于低速、高分辨率?-Σ型ADC——其它器件較少采用。 然后，我們進(jìn)而討論了使用評(píng)估板和軟件的SAR ADC測(cè)試結(jié)果。

在第二部分，我們將繼續(xù)討論AD7960/AD7961。 我們還將討論可用的評(píng)估板和軟件，它們可以進(jìn)行分析。 我們將看到這些ADC的性能如何。 通過(guò)ADC的FFT輸出，使用評(píng)估板可輕松看出性能。

過(guò)采樣能力由AD7960/AD7961評(píng)估軟件對(duì)ADC輸出樣本簡(jiǎn)單求平均而實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)，將ADC樣本數(shù)量相加，然后除以過(guò)采樣率，從而提升動(dòng)態(tài)范圍。 該軟件允許用戶從配置選項(xiàng)卡的下拉菜單中選擇高達(dá)256的過(guò)采樣率，如圖4所示?？蓪?shí)現(xiàn)的最大動(dòng)態(tài)范圍受限于系統(tǒng)的低頻1/f噪聲，該噪聲在低于20 kSPS的較低輸出數(shù)據(jù)速率下占主導(dǎo)地位。

圖4. AD7960/AD7961評(píng)估軟件面板

從直流到fs/2范圍內(nèi)的信號(hào)頻譜以及平坦噪聲如圖5和圖6所示，表示可對(duì)噪聲進(jìn)行過(guò)濾，使其降低至fs/(2 × OSR)，以改善動(dòng)態(tài)范圍和SNR。 此時(shí)，過(guò)采樣動(dòng)態(tài)范圍是峰值信號(hào)功率與ADC輸出FFT測(cè)量的噪聲功率之比，測(cè)量范圍為直流至fs/(2 × OSR)，其中fs表示ADC采樣速率。

圖5. AD7960在無(wú)輸入信號(hào)且fIN = 1 kHz時(shí)的過(guò)采樣FFT輸出（OSR = 256，REF = 5 V）

圖6. AD7961在無(wú)輸入信號(hào)且fIN = 1 kHz時(shí)的過(guò)采樣FFT輸出（OSR = 256，REF = 5 V）

如數(shù)據(jù)手冊(cè)所述，采用5 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)，AD7960和AD7961可分別實(shí)現(xiàn)100 dB和96 dB典型動(dòng)態(tài)范圍；因此理論上由于256過(guò)采樣，我們應(yīng)當(dāng)看到動(dòng)態(tài)范圍增加了24 dB。

在實(shí)際中，這些器件測(cè)得的過(guò)采樣動(dòng)態(tài)范圍分別為122 dB和119 dB，在19.53 kSPS輸出數(shù)據(jù)速率下進(jìn)行256倍過(guò)采樣時(shí)無(wú)輸入信號(hào)，這與理論計(jì)算值相比動(dòng)態(tài)范圍下降了1 dB到2 dB。 它受到來(lái)自信號(hào)鏈組件、輸入源和印刷電路板的低頻噪聲限制。 采用1 kHz滿量程正弦波輸入信號(hào)時(shí)，這些器件分別可實(shí)現(xiàn)大約111 dB和110 dB的過(guò)采樣SNR。 圖7顯示AD7960如何隨過(guò)采樣率增加和輸出數(shù)據(jù)速率下降而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的增加。

圖7. AD7960動(dòng)態(tài)范圍與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系

MRI系統(tǒng)工作頻段為1 MHz至100 MHz RF，而計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和數(shù)字X射線工作在1016 Hz至1018 Hz頻率范圍內(nèi)，并且需要讓病人暴露在電離輻射下，會(huì)損害活組織。 MRI梯度控制系統(tǒng)要求極高的動(dòng)態(tài)范圍、緊湊的線性度以及從DC到幾十kHz的快速響應(yīng)時(shí)間，并且要求在模擬或數(shù)字域中，其梯度精確控制到大約1 mA (1 ppm)以內(nèi)，以增強(qiáng)圖像質(zhì)量。

使用具有優(yōu)異規(guī)格數(shù)據(jù)的過(guò)采樣SAR ADC（比如AD7960）可讓設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)滿足MRI系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。 這類系統(tǒng)要求可在醫(yī)院或醫(yī)生辦公室中重復(fù)、長(zhǎng)期穩(wěn)定測(cè)量。 設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)注意的其它要求是高分辨率、精度、低噪聲、快速刷新速率和極低的輸出漂移。

Maithil Pachchigar是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器業(yè)務(wù)部的一名應(yīng)用工程師。 他于2010年加入ADI公司，為工業(yè)、儀表、醫(yī)療和能源行業(yè)的客戶提供高精度ADC產(chǎn)品技術(shù)支持。 自2005年以來(lái)，Maithil一直在半導(dǎo)體行業(yè)工作，并已發(fā)表多篇技術(shù)文章。 他于2006年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位，并于2010年獲得硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。