驅(qū)動(dòng)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器

市場(chǎng)對(duì)工業(yè)應(yīng)用的需求與日俱增，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵設(shè)備。它們通常用于檢測(cè)溫度、流量、液位、壓力和其他物理量，隨后將這些物理量對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為高分辨率的數(shù)字信息，再由軟件做進(jìn)一步處理。此類系統(tǒng)對(duì)精度和速度的要求越來越高。

這些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由放大器電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成，其性能對(duì)系統(tǒng)具有決定性的影響。然而，ADC的輸入驅(qū)動(dòng)器也會(huì)影響整體精度。該驅(qū)動(dòng)器用于緩沖和放大輸入信號(hào)。此外，還必須增加偏置信號(hào)或生成全差分信號(hào)，以覆蓋ADC 的輸入電壓范圍并滿足其共模電壓要求，在此過程中不得改變?cè)夹盘?hào)。可編程增益儀表放大器（PGIA）通常用作輸入驅(qū)動(dòng)器。在本文中，我們提出了一種輸入驅(qū)動(dòng)器和ADC 的組合，通過這種組合可以實(shí)現(xiàn)非常精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而構(gòu)建高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

例如，LTC6373 就是一款適用于高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的PGIA。除了全差分輸出，它還具有高直流精度、低噪聲、低失真（見圖2）以及4 MHz 的高帶寬，增益為1/4~16。通過它可以直接驅(qū)動(dòng)ADC，因此適合許多信號(hào)調(diào)理應(yīng)用。

圖1 中的電路顯示了使用LTC6373 驅(qū)動(dòng)精密ADC 的示例，ADC 是具有1.8 MSPS 的20 位分辨率的AD4020。

在該電路中，LTC6373 在輸入端和輸出端直流耦合，因而不需要使用變壓器驅(qū)動(dòng)ADC。增益可通過引腳A2/A1/A0 在（0.25~16）V/V 之間進(jìn)行設(shè)置。

在圖1 中，LTC6373 采用差分輸入至差分輸出配置和±15 V 對(duì)稱電源電壓。或者，輸入也可以是單端輸入，而輸出仍然是差分輸出。

圖1 驅(qū)動(dòng)精密ADC的電路示例

在圖1中，輸出共模電壓通過VOCM引腳設(shè)置為VREF/2。這樣就可實(shí)現(xiàn)LTC6373 的輸出電平轉(zhuǎn)換。LTC6373 的每個(gè)輸出在0 V~VREF 之間變化，因此在ADC 輸入端有1 個(gè)2×VREF 幅度的差分信號(hào)。LTC6373 的輸出端和ADC 輸入端之間的RC 網(wǎng)絡(luò)形成1 個(gè)單極點(diǎn)低通濾波器，它可降低在ADC 輸入端切換電容時(shí)產(chǎn)生的電流毛刺。同時(shí)，低通濾波器限制了寬帶噪聲。

圖2 顯示了LTC6373 的信噪比（SNR）和總諧波失真（THD），其在整個(gè)輸入電壓范圍（10 V p-p）內(nèi)驅(qū)動(dòng)AD4020 SAR ADC（高阻態(tài)模式）。在吞吐量為1.8 MSPS，濾波器電阻（RFILTER）為442 Ω 時(shí)可獲得比較滿意的效果。在1 MSPS 或0.6 MSPS 時(shí)，建議RFILTER 為887 Ω。

LTC6373 可驅(qū)動(dòng)大多數(shù)具有差分輸入的SARADC，不需要另外增加ADC 驅(qū)動(dòng)器。但是，在某些應(yīng)用中，在LTC6373 和精密ADC 之間可以使用單獨(dú)的ADC 驅(qū)動(dòng)器來進(jìn)一步提高信號(hào)鏈的線性度。

圖2 使用LTC6373驅(qū)動(dòng)AD4020的SNR（上）和THD（下）性能

結(jié)束語

圖1 所示的電路針對(duì)快速、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。因此，LTC6373 的出色特性有助于對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。借助在線工具ADIPrecision Studio，特別是其中包含的ADC 驅(qū)動(dòng)器工具，ADI 公司可以為此類放大級(jí)、濾波器和線性電路設(shè)計(jì)提供更多支持。

作者簡(jiǎn)介：Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。

2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。

聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年6月期）