用于精準(zhǔn)測量和快速信號跟蹤的高準(zhǔn)確度 SAR ADC

作者 Alison Steer 　凌力爾特公司產(chǎn)品市場經(jīng)理混合信號產(chǎn)品

引言

　　如今，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 市場主要由 ΔΣ ADC 提供支持，這得益于其高動態(tài)范圍、精準(zhǔn)DC性能及合理的價格。按照設(shè)計，ΔΣ ADC采用一個ΔΣ調(diào)制器和一個位于該調(diào)制器之后的數(shù)字抽取濾波器對輸入信號進(jìn)行過采樣，因而產(chǎn)生低噪聲、但緩慢的輸出數(shù)據(jù)速率。過采樣的一個額外優(yōu)勢是能夠極大地簡化外部模擬抗混疊濾波器，從而依賴數(shù)字濾波器以決定通帶中的頻率響應(yīng)。

1 SAR ADC技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品

　　凌力爾特的新式SAR ADC技術(shù)把更高的性能帶給了精準(zhǔn)型應(yīng)用，在DC規(guī)格指標(biāo)(INL、DNL、偏移、增益誤差和穩(wěn)定性)方面可媲美最佳的ΔΣ ADC，同時保持高采樣速率和無延遲操作?？焖俨蓸覵AR ADC常用于對低帶寬信號實(shí)施過采樣。傳統(tǒng)的過采樣允許使用一個抽取濾波器 (低通濾波器+降頻采樣)，這增加了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。過采樣的另一個好處是放寬了對模擬抗混疊濾波器的要求。在未采用過采樣的場合，模擬抗混疊濾波器必需具有陡峭的滾降(陡峭的過渡頻帶)，由此增加了其復(fù)雜性。作為一種選擇，過采樣允許使用一個簡單的低階模擬濾波器與一個數(shù)字濾波器的組合以構(gòu)成一個具非常陡峭滾降的等效混合模式抗混疊濾波器。然而，因此付出的代價是該濾波任務(wù)的負(fù)擔(dān)被加到了主機(jī)處理器上，并需要采用一個速度較快的處理器以快得多的速率從ADC輸出采集數(shù)據(jù)。

　　因此，凌力爾特正以不同的方式接近高精度市場;將其專有SAR ADC架構(gòu)的高準(zhǔn)確度和速度與集成型數(shù)字濾波器相整合。最新推出的產(chǎn)品是LTC2508-32和LTC2512-24。LTC2508-32是一款具集成型引腳可配置數(shù)字濾波器的32位1Msps SAR ADC，專為低帶寬、高精度應(yīng)用而優(yōu)化。LTC2512-24 是一款具集成濾波器的24位、1.6Msps SAR ADC，其專為較高帶寬應(yīng)用而優(yōu)化。LTC2508-32在61sps的最慢輸出速率下實(shí)現(xiàn)了145dB的動態(tài)范圍，而LTC2512-24的目標(biāo)則是在50ksps輸出速率條件下提供117dB的動態(tài)范圍。

　　ΔΣ ADC的一個重要方面是調(diào)制器的輸出不是直接可用的。就是說，它是一種具整形量化噪聲和非常低SNR的低分辨率信號。人們采用各種不同的方法對ΔΣ調(diào)制器的量化噪聲進(jìn)行整形，將其推送至一個較高的頻率(在此頻率上更容易濾除量化噪聲)，而讓關(guān)注的信號占據(jù)濾波器通帶中的較低頻率。接著，對調(diào)制器的輸出進(jìn)行低通濾波以產(chǎn)生可用的轉(zhuǎn)換結(jié)果。不過，由于其架構(gòu)的本質(zhì)，ΔΣ調(diào)制器因其輸出頻譜中的寄生音調(diào)而受到損害。盡管它們可能很努力，但是來自調(diào)制器的寄生音調(diào)仍然會(而且確實(shí))出現(xiàn)在通帶之中。

　　在存在這些毛刺信號的情況下試圖搜索一個小信號幾乎是不可能的。逐次逼近寄存器型(SAR)ADC不會遭受該缺陷之苦，并且具有一個接近理想的白噪聲功率譜。這將使得 SAR ADC 成為檢測處于非常低能量水平的音調(diào)或振動之一種更佳選擇。然而，許多SAR ADC在16位至18位分辨率水平上仍然因?yàn)镈C轉(zhuǎn)移函數(shù)中的不連續(xù)性而受到損害，因而犧牲了DC性能。

2 LTC2508-32和LTC2512-24

　　LTC2508-32和LTC2512-24擁有良好的線性特性，無漏失碼。這使得應(yīng)用能夠充分利用經(jīng)濾波之輸出數(shù)據(jù)的巨大動態(tài)范圍。

　　憑借僅為 22nV_RMS/√Hz 的噪聲頻譜密度，LTC2508-32 在 24 位或 32 位分辨率下可提供優(yōu)于任何同類競爭 ADC 解決方案的噪聲性能 (圖 1)。與ΔΣ 調(diào)制器輸出不同，這款凌力爾特 SAR ADC 的輸出具有平坦的噪聲功率頻譜密度，沒有需要應(yīng)付的音調(diào)。這意味著數(shù)字濾波器可針對最終應(yīng)用的要求 (而不是以濾除調(diào)制器噪聲和音調(diào)為目的) 任意地設(shè)計。LTC2508-32 濾波器是一種“擴(kuò)展sinc”架構(gòu)，代表了在阻帶抑制和穩(wěn)定時間之間的一種謹(jǐn)慎選擇的平衡。LTC2512-24 數(shù)字濾波器擁有延伸至f_O/4 (奈奎斯特區(qū)的一半) 之“不打折扣”的 0.001dB 通帶平坦度。LTC2512-24 濾波器過渡區(qū)和阻帶衰減不如許多ΔΣ 濾波器那么富有“侵略性”，因而可實(shí)現(xiàn)較快的穩(wěn)定和較小的時域人為干擾。再一次地，使這樣的濾波器具有實(shí)用性正是因?yàn)闆]有音調(diào)。

　　LTC2508-32 提供了4個引腳可選的抽取濾波器，這些濾波器的特性列于表 1。4個不同的抽取濾波器使得設(shè)計師能夠依據(jù)應(yīng)用的選擇在帶寬和噪聲之間進(jìn)行權(quán)衡。對于 LTC2508-32 的每種配置，該數(shù)字濾波器是一種具線性相位響應(yīng)的低通有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波器。數(shù)字濾波器的輸出隨后利用對應(yīng)的降頻采樣因子(DF)進(jìn)行降頻采樣。于是，最終產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)速率(f_O)等于fSMPL/DF。在每種抽取濾波器選擇中，-3dB 帶寬與所選的 DF 值成反比。對于處在f_O/2至fSMPL–f_O/2 范圍內(nèi)的頻率，每種配置提供一個最小80dB的衰減。降頻采樣因子每增加 4 倍，ADC 動態(tài)范圍擴(kuò)大約 6dB，從而產(chǎn)生一個從131dB (在DF=256)至高達(dá)145dB(在DF=16384)的動態(tài)范圍。這相當(dāng)于一個 24 位的有效位數(shù) (ENOB)。需注意的是，ADC 結(jié)果受限于一個品質(zhì)特性噪聲過程 (即：熱噪聲)，而非其量化噪聲，這一點(diǎn)很重要。這意味著 ADC 應(yīng)提供比 ENOB 至少多幾個位，對于一個 32 位輸出字，LTC2508-32 提供足夠數(shù)量的位，以采用整數(shù)字節(jié)來代表經(jīng)過濾波的數(shù)據(jù)。

　　LTC2508-32的輸出始終在10個輸出采樣中完全地穩(wěn)定，這與DF無關(guān)。當(dāng)降頻采樣因子增加時，帶寬減小，從而限制了噪聲并隨后擴(kuò)大了動態(tài)范圍。當(dāng)采用一個數(shù)值為256的降頻采樣因子時，濾波輸出的-3dB帶寬為480MHz，并產(chǎn)生一個3906sps的輸出數(shù)據(jù)速率。在16384 的最高DF條件下，-3dB帶寬是很窄的7.5Hz，可提供最高的噪聲濾波水平，并產(chǎn)生61sps 的最慢輸出數(shù)據(jù)速率。

　　此外，LTC2508-32還提供了雙數(shù)據(jù)輸出流，即：輸入信號的32位數(shù)字濾波版本，和一個直接來自前端SAR轉(zhuǎn)換器的無延遲、22位復(fù)合輸出。無延遲輸出字由一個代表差分輸入的14位代碼和一個代表輸入共模電壓的8位代碼組成。無延遲輸出在控制應(yīng)用中特別適用于輸入信號的快速跟蹤和提供針對不斷變化之負(fù)載情況的即時反饋。另外，它還可用于監(jiān)視輸入信號的質(zhì)量和指示系統(tǒng)故障 (例如：通過檢測有可能被數(shù)字濾波器隱藏的強(qiáng)噪聲或振蕩信號)。該信息可與8位共模值組合使用以提供預(yù)見性維護(hù)。共模電壓的變化也許表示會使上游受擾，從而導(dǎo)致潛在的設(shè)備故障。對于設(shè)計人員來說，這看似兩個ADC合為一體，提供了輸入信號的完全匹配表示，并不受失配或漂移問題的制約。

　　LTC2512-24提供了與LTC2508-32的很多相似之處，具有4個引腳可選的抽取濾波器，如表 2所示。圖2示出了數(shù)字濾波器從DC至fO(輸出數(shù)據(jù)速率)的幅度響應(yīng)。支4至高達(dá)32的降頻采樣因子，降頻采樣因子每增加兩倍將實(shí)現(xiàn)3dB的動態(tài)范圍改善。LTC2512-24具有相同的22位復(fù)合代碼輸出，可提供輸入信號一種近乎理想的實(shí)時表示。對于LTC2512-24，輸出始終在35個輸出采樣中完全地穩(wěn)定。

　　LTC2508-32 是一款面向地震學(xué)應(yīng)用以及石油和天然氣勘探的極佳候選方案，在此類應(yīng)用中 ADC 必須分辨“埋藏”于噪聲中的極低電平信號。LTC2512-24 的較寬帶寬和平坦通帶可能更適合于心電圖 (EKG) 等醫(yī)療儀器，此類儀器既受益于濾波輸出的高動態(tài)范圍，同時又可利用無延遲輸出以提供諸如探頭位置等實(shí)時信息。對于任何采用了一個必須對輸入信號中的變化 (其通過較慢的濾波輸出將不會立即顯示出來) 做出快速反應(yīng)的控制環(huán)路的精準(zhǔn)型應(yīng)用而言，這些 ADC 是理想的選擇。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第66頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。