作者：Thomas Tzscheetzsch

16位SAR轉(zhuǎn)換器應(yīng)用能否在600 kSPS時(shí)達(dá)到125 dB的動(dòng)態(tài)范圍？

答案：能，89 dB + 18 dB + 20 dB ≥ 125 dB。

簡(jiǎn)介

對(duì)于需要高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，通常使用∑-Δ轉(zhuǎn)換器。這些應(yīng)用主要可以在化學(xué)分析、醫(yī)療保健和體重管理領(lǐng)域找到。但是，其中許多模塊無法快速轉(zhuǎn)換。圖1中的電路描述了一種將高動(dòng)態(tài)范圍與高轉(zhuǎn)換率相結(jié)合的方法。

圖1中的電路顯示了帶有2.5 MSPS和上游可編程儀表放大器的16位SAR轉(zhuǎn)換器，它將增益設(shè)置為1或100。通過在FPGA中進(jìn)行過采樣和數(shù)字信號(hào)處理，該電路可實(shí)現(xiàn)大于125 dB的動(dòng)態(tài)范圍，并且仍然非常安靜。高動(dòng)態(tài)范圍是通過AD8253的自動(dòng)切換和過采樣實(shí)現(xiàn)的，其中信號(hào)的采樣速率遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采樣頻率加倍可在原始信號(hào)帶寬下將信噪比(SNR)提高約3 dB。在圖1所示的電路中，仍然在FPGA中應(yīng)用數(shù)字濾波，以消除高于目標(biāo)信號(hào)帶寬的噪聲。原理如圖2所示。

圖1. 具有自動(dòng)增益調(diào)節(jié)功能的SAR轉(zhuǎn)換器。

為了獲得最大動(dòng)態(tài)范圍，在輸入端使用儀表放大器將極低信號(hào)放大100倍。有關(guān)噪聲的一些注意事項(xiàng)如下：

對(duì)于>126 dB的動(dòng)態(tài)范圍要求，在3 V (6 V p-p)輸入信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的最大噪聲級(jí)為1 μV rms。AD7985是具有2.5 MSPS的16位SAR轉(zhuǎn)換器。如果它以600 kSPS（低功率損耗為11 mW）和72過采樣系數(shù)運(yùn)行，則產(chǎn)生大約8 kSPS的采樣率，因此帶寬為4 kHz。在這些條件下，將產(chǎn)生最大15.8 nV/√Hz的噪聲密度(ND)。該值對(duì)于選擇正確的儀表放大器很重要。ADC通常具有89 dB的SNR，而系數(shù)為72的過采樣會(huì)額外增加18 dB，因此仍需要大約20 dB才能達(dá)到126 dB的目標(biāo)，這是儀表放大器的任務(wù)。AD8253的增益為100時(shí)，其值為11 nV/√Hz。下方用作ADC驅(qū)動(dòng)器和用于電平調(diào)節(jié)的AD8021又增加了2.1 nV/√Hz的噪聲。

圖2. 過采樣的增加消除了部分噪聲。

模擬信號(hào)鏈由基準(zhǔn)電壓ADR439（或REF194）以及ADA4004-2完成，作為基準(zhǔn)緩沖區(qū)和驅(qū)動(dòng)器，用于產(chǎn)生偏移電壓。

除模擬路徑中的組件外，F(xiàn)PGA（或處理器）對(duì)電路性能也很重要。關(guān)鍵任務(wù)是將儀表放大器的增益從1切換為100。為此，對(duì)許多閾值進(jìn)行了編程以確保ADC不飽和。因此，AD8253在輸入電壓高達(dá)20 mV左右時(shí)以100為增益運(yùn)行，這使得ADC輸入端的最大電壓達(dá)2.0 V。然后，F(xiàn)PGA將AD8253的增益降至1且沒有延遲，以防止過載（見圖3）。

電路的變化可通過AD7980（16位、1 MSPS）、AD7982（18位、1 MSPS）或AD7986（18位、2 MSPS）等其他ADC操作。同樣，不使用增益為1、10、100和1000的AD8253，而改用具有較低范圍的AD8251等儀表放大器（增益為1、2、4和8）。基準(zhǔn)電壓的選擇也可能會(huì)改變。

作者介紹

Thomas Tzscheetzsch [thomas.tzscheetzsch@analog.com]于2010年加入ADI公司，擔(dān)任高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。2010年至2012年，他負(fù)責(zé)支持德國(guó)中部地區(qū)的客戶群，自2012年以來，他任職于關(guān)鍵客戶團(tuán)隊(duì)，為關(guān)鍵客戶提供支持服務(wù)。2017年重組后，他負(fù)責(zé)中歐國(guó)家IHC市場(chǎng)的FAE團(tuán)隊(duì)，擔(dān)任FAE經(jīng)理。

在職業(yè)生涯的最初階段，他于1992年至1998年在一家機(jī)械制造公司任電子工程師兼部門負(fù)責(zé)人。在哥廷根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)完成電氣工程學(xué)習(xí)后，他任職于Max Planck研究院從事太陽能系統(tǒng)研究工作，擔(dān)任硬件設(shè)計(jì)工程師。2004年至2010年，他任職于ADI公司產(chǎn)品經(jīng)銷商的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。

審核編輯：何安