16位、300 kSPS低功耗逐次逼近型ADC系统解析
连接/参考器件
AD7988-5 16位、500 kSPS PulSAR ADC
OP1177精密、低噪声、低输入偏置电流运算放大器
ADR435超低噪声XFET® 5.0 V基准电压源,具有吸电流和源电流能力
评估和设计支持
电路评估板
CN-0305电路评估板(EVAL-CN0305-SDPZ)
系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)
设计和集成文件
原理图、布局文件、物料清单
电路功能与优势
图1中的电路是一个16位、300 kSPS逐次逼近型模数转换器(ADC)系统,其驱动放大器针对最高4 kHz输入信号和300 kSPS采样速率、10.75 mW低功耗系统而优化。
这种方法对于便携式电池供电、要求低功耗的多通道应用极为有用。它还为那些两次转换突发之间的大部分时间ADC都处于空闲状态的应用提供了优势。
通常,选择高性能逐次逼近型ADC的驱动放大器处理宽范围的输入频率。然而,当某个应用需要更低的采样速率时,便可节省大量功耗,因为降低采样速率会相应地降低ADC功耗。
若要完全利用通过降低ADC采样速率使功耗下降的优势,则需要使用低带宽、低功耗放大器。
例如,针对最高输入约为100 kHz并搭配AD7988-5 16位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC(500 kSPS时功耗为3.5 mW,300 kSPS时功耗为2.1 mW)的应用,推荐使用ADA4841-1 80 MHz的运算放大器(10 V时功耗为12 mW)。包括ADR435基准电压源(7.5 V时功耗为4.65 mW)在内的总系统功耗在300 kSPS时为18.75 mW。
对于输入带宽低于4 kHz以及采样速率低于300 kSPS的情况,OP1177 1.3 MHz运算放大器(10 V时功耗为4 mW)可提供出色的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)性能,并且在300 kSPS时可将总系统功耗从18.75 mW降低至10.75 mW,降幅达43%。
![](../img/eep-analog/analog-27214mrkq5e1b5gz.jpg)
图1. 使用OP1177低功耗放大器驱动AD7988-5 ADC的系统电路图(原理示意图:未显示所有连接)
电路描述
该电路包含AD7988-5 ADC、OP1177放大器和ADR435基准电压源。AD7988-5是一款16位、500 kSPS SAR ADC,其低功耗可随采样速率调整,500 kSPS时功耗为3.5 mW。除了低功耗,它还具有业界领先的交流性能:SNR = 91 dB,THD = −114 dBc。
驱动放大器采用OP1177低功耗、精密器件,其电源电流为400 μA,增益带宽积为1.3 MHz。OP1177可采用5 V至30 V的电源供电。ADC的基准电压源采用ADR435,这是一款高精度、低噪声、5 V XFET基准电压源。低电源电流(620 μA)时,ADR435具有极低的温度系数(3 ppm/°C)。300 kSPS时,本电路的总功耗为10.75 mW。信噪比(SNR)为90.6 dBFS,总谐波失真(THD)为−102 dBc,输入频率最高为4 kHz。
OP1177配置为单位增益缓冲器,并且它与AD7988-5之间有一个截止频率为295 kHz的RC滤波器(200 Ω,2.7 nF)。滤波器允许使用诸如OP1177等噪声更高的放大器,在8nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。以更高的噪声换取更低的功耗,而其代价仅是系统的信噪比(SNR)性能下降了0.4 dB。相对于数据手册中推荐的数值(20 Ω),更高的R值(200 Ω)表示OP1177可以驱动2.7 nF的大容量输入电容。更高的R值可将最大输入带宽限制为数kHz,使得失真较低。
对于最高5 kHz的输入,这与OP1177的16位失真性能(THD低于−100 dBc)差不多。超过5 kHz会加剧失真,因此不建议在更高的输入频率下使用该电路,而由于较长的建立时间,亦不建议在多路复用器应用中使用该放大器。注意,OP1177需要至少1.5 V的输入上裕量/下裕量,并且设置电源时需要1 V输出上裕量/下裕量。另外需注意的是,OP1177无法用来驱动300 kSPS以上的AD7988-5,因为驱动器建立时间不足以满足更短的ADC采集时间(见图3)。
性能结果
本电路的目的是在输入频率低于4 kHz、采样速率为300 kSPS的情况下,以尽可能最低的ADC驱动器功耗水平提供良好的交流性能。图2显示4 kHz输入时的电路性能FFT图。信噪比(SNR)为90.6 dBFS,总谐波失真(THD)为−102 dBc。相比91 dBFS的规格,AD7988-5的信噪比(SNR)略微下降的主要原因是OP1177具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz稍高的噪声,为8 nV/√Hz。总系统功耗为10.75 mW,其中:ADC为2.1 mW(采样速率为300 kSPS),放大器为4 mW,基准电压源为4.65 mW。这说明相对于ADA4841-1的12 mW,它可降低43%的功耗,总系统功耗为18.75 mW。
![](../img/eep-analog/analog-27215pv3bvaxbxax.jpg)
图2. 使用OP1177放大器驱动AD7988-5的系统电路性能
图3显示在超过300 kSPS的较高采样速率下,系统的总谐波失真(THD)如何增加,以及信噪比(SNR)如何下降。基于这个理由,让ADC在300 kSPS或更低条件下工作,可获得最佳性能。
![](../img/eep-analog/analog-27216fpynw5jbri2.jpg)
图3. OP1177放大器驱动AD7988-5时,总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)与ADC采样速率的关系
图4显
- 12位、300 kSPS、单电源、完全隔离式数据采集系统 用于4-20 mA输入(10-16)
- 带三线式补偿的12位、300 kSPS、单电源、完全隔离式RTD温度测量系统(10-16)
- 16位、100kSPS逐次逼近型ADC系统(10-16)
- TM1300 PCI-XIO口的UART和USB接口设计(01-17)
- ADISl6300四自由度IMU在姿态测量中的应用(08-18)
- 采用NCL30000的单段式CrM TRIAC调光LED驱动器设计(11-19)