用于工業(yè)級信號的精密單電源差分ADC驅(qū)動器

　　電路功能與優(yōu)勢

　　標(biāo)準(zhǔn)單端工業(yè)信號電平（±5 V、±10 V或0 V至+10 V）與現(xiàn)代高性能16位或18位單電源SAR型ADC的差分輸入范圍并不直接兼容，需要使用適當(dāng)?shù)慕涌?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/驅(qū)動">驅(qū)動電路對工業(yè)信號進(jìn)行衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換，使其具有與ADC輸入要求相匹配的正確幅度和共模電壓。雖然可以利用電阻網(wǎng)絡(luò)和雙通道運(yùn)放來設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，但電阻的比率匹配誤差和放大器之間的誤差會形成最終輸出端的誤差。特別是在低功耗水平上，實(shí)現(xiàn)所需的輸出相位匹配和建立時(shí)間可能非常困難。

　　圖1所示電路采用差分放大器 AD8475 執(zhí)行衰減、電平轉(zhuǎn)換和差分轉(zhuǎn)換，無需任何外部元件。其交流和直流性能兼容18位、1 MSPSAD7982 PulSAR? ADC以及該系列的其它16/18位產(chǎn)品，采樣速率可高達(dá)4 MSPS。

圖1. 單端轉(zhuǎn)差分ADC驅(qū)動器（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

　　AD8475是一款全差分衰減放大器，集成精密薄膜增益設(shè)置電阻，可提供精密衰減（0.4×或0.8×）、共模電平轉(zhuǎn)換、單端差分轉(zhuǎn)換及輸入過壓保護(hù)等功能。采用5 V單電源供電時(shí)，其功耗僅為15 mW。18位、1 MSPS AD7982的功耗僅為7 mW，比競爭產(chǎn)品低30倍。該組合的總功耗僅為22 mW。

　　電路描述

　　采用5 V單電源供電時(shí)，衰減放大器AD8475和18位差分ADC AD7982可以在高精度模擬前端系統(tǒng)中用于處理大電壓信號。

　　AD8475通過其集成的精密調(diào)整電阻，將輸入信號衰減0.4倍。采用5 V單電源時(shí)，它支持高達(dá)25 V峰峰值的電壓。在低頻時(shí)，差分軌到軌輸出僅需50 mV的裕量。AD8475可以由真差分輸入驅(qū)動，或者由單端輸入驅(qū)動并提供單端差分轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

　　AD8475與ADC之間的RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)單極點(diǎn)濾波器，可降低不良混疊效應(yīng)和高頻噪聲。該濾波器的共模帶寬為29.5 MHz（20 Ω、270 pF），差分帶寬為3.1 MHz（40 Ω、1.3 nF）。

　　AD7982是一款18位、逐次逼近(SAR)型ADC，采用單電源(VDD)供電。I/O接口電壓VIO可以在1.8 V至5 V范圍內(nèi)設(shè)置，取決于接口邏輯電源。AD7892具有真差分輸入端，支持高達(dá)±VREF 的電壓。ADR435 是一款5 V、低噪聲（8 μV峰峰值，0.1 Hz至10 Hz）、高精度（B級為±2 mV）基準(zhǔn)電壓源，用于提供AD7982的REF電壓和差分驅(qū)動器AD8475的電源電壓。

　　兩個(gè)連接到ADR435輸出端的10 kΩ電阻構(gòu)成一個(gè)分壓器，用于設(shè)置AD8475輸出端的2.5 V共模電壓(VOCM)。這使得輸入差分信號以最佳共模輸入電壓為中心，從而最大化ADC的動態(tài)范圍。

　　對于20 V峰峰值單端輸入信號，各差分輸出端產(chǎn)生一個(gè)擺幅為+0.5 V至+4.5 V、180°反相的信號。

　　將一個(gè)20 kHz、20 V峰峰值信號輸入AD8475時(shí)，最終SNR為96.3 dBFS，THD為?112.3 dBFS；這兩個(gè)參數(shù)均參考AD7982的滿量程范圍，如圖2的FFT圖所示。

　　FFT圖下方表格所示的信號電平是在AD7982的輸入端測得。此點(diǎn)的滿量程范圍為10 V峰峰值差分，反映到AD8475的輸入端為25 V峰峰值。輸入測試信號為20 V峰峰值，所產(chǎn)生的信號比ADC的滿量程輸入低2 dB。

圖2. 20 kHz信號的FFT圖，比滿量程低2 dB，采樣頻率1 MSPS

　　注意在這些條件下，AD8475各輸出端的擺幅為供電軌的±500 mV范圍，由于它為軌到軌輸出結(jié)構(gòu)，因此仍能實(shí)現(xiàn)出色的失真性能。

　　此電路已利用AD8475評估板(EVAL-AD8475Z)和ADI公司的PulSAR評估板及軟件進(jìn)行過測試。EVAL-AD8475Z是一款客戶評估板，旨在簡化對AD8475性能和功能的獨(dú)立測試。該評估板還能結(jié)合ADI公司的任何SAR轉(zhuǎn)換器進(jìn)行快速測試，其輸出連接器能夠直接與PulSAR評估板 (EVAL-AD76xx-CBZ) 的模擬輸入連接器(SMB)相連。ADC轉(zhuǎn)換器評估和開發(fā)板 (EVAL-CED1Z) 將該設(shè)置通過USB連接到一臺PC，如圖3所示。

　　AD8475的輸入信號由Audio Precision? AP2700源提供?；贚abVIEW?的PulSAR評估軟件可以用來控制Audio Precision輸入信號，還能用來監(jiān)控ADC的輸入端和輸出端。

圖3. SAR ADC轉(zhuǎn)換器評估平臺。注意：AD8475差分放大器評估板連接到PulSAR ADC評估板的SMB模擬輸入連接器

　　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?？梢允褂肁DI公司的其它模數(shù)轉(zhuǎn)換器代替AD7982，以實(shí)現(xiàn)所需的最高性能。AD8475最高能夠驅(qū)動18位、4 MSPS的ADC，性能下降幅度極小。采樣速率較快的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)。

　　AD8475也可以直接用來驅(qū)動單端或偽差分輸入ADC?？梢詫D8475的軌到軌輸出端驅(qū)動到各供電軌的0.5 V范圍內(nèi)，而不會引起交流性能的明顯下降。

　　通過驅(qū)動IN 0.8×輸入端，AD8475也能提供0.8倍的差分衰減。其電源電壓非常靈活，既可以采用3 V至10 V單電源供電，也可以采用最高±5 V的雙電源供電。