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16位、100 kSPS逐次逼近型ADC系统

时间:03-11 来源:互联网 点击:

连接/参考器件

  AD7988-1 16位、100 kSPS PulSAR ADC

  AD8641低功耗、轨到轨输出精密单通道JFET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-0306电路评估板(EVAL-CN0306-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中的电路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模数转换器(ADC)系统,集成驱动放大器,针对最高1 kHz输入信号和100 kSPS采样速率、功耗低至7.35 mW的系统而优化。

  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,推荐80 MHz的ADA4841-1运算放大器(10 V时功耗为12 mW)与AD7988-1 16位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC(100 kSPS时功耗为0.7 mW)一同使用。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100 kSPS时为17.35 mW.

  对于最高1 kHz的输入带宽和100 kSPS的采样速率,AD8641 3MHz运算放大器(10 V时功耗为2 mW)可提供出色的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)性能,并且在100 kSPS时可将总系统功耗从17.35 mW降低至7.35 mW,降幅达58%.

图1. 使用AD8641低功耗放大器驱动AD7988-1 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AD7988-1 ADC、AD8641放大器和ADR435基准电压源。AD7988-1是一款16位、100 kSPS SAR ADC,其低功耗可随采样速率调整,100 kSPS时功耗为0.7 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AD8641低功耗、精密器件,其电源电流为200 μA,增益带宽积为3 MHz.AD8641可采用5 V至26 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/℃)。100 kSPS时,本电路的总功耗为7.35 mW.信噪比(SNR)为88.5 dBFS,总谐波失真(THD)为-103 dBc,输入频率最高为1 kHz.

  AD8641配置为单位增益缓冲器,并且它与AD7988-1之间有一个截止频率为93 kHz的RC滤波器(634 Ω,2.7 nF)。滤波器允许使用诸如AD8641等噪声更高的放大器,在28 nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。与ADC的规格相比,以更高的噪声换取更低功耗的代价仅是系统的信噪比(SNR)性能下降了2.5 dB.相对于数据手册中推荐的数值(20 Ω),更高的R值(634 Ω)表示AD8641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1 kHz,使得失真较低。

  对于最高1 kHz的输入,这与AD8641的16位失真性能(THD低于-100 dBc)差不多。超过1 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,相对于正电源电压而言,AD8641需要至少2 V的输入裕量。输出级以轨到轨方式工作。

  性能结果

  本电路的目的是在最高1 kHz的给定输入频率范围、100 kSPS的采样速率情况下,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1 kHz输入信号下的电路性能FFT图。信噪比(SNR)为88.5 dB,总谐波失真(THD)为-103 dB.相比91 dB的规格,AD7988-1信噪比(SNR)下降的主要原因是AD8641具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz更高的噪声,为28 nV/√Hz.总系统功耗为7.35 mW,其中:ADC为0.7 mW,放大器为2 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58%的功耗,总系统功耗为17.35 mW.

图2. 使用AD8641放大器驱动AD7988-1的系统电路性能


图3显示系统总谐波失真(THD)以及信噪比(SNR)如何随着输入频率超过~1 kHz而下降。这是由于放大器失真导致的,可从图4中的总谐波失真加噪声(THD+N)与频率的关系曲线看出。

  图3. AD8641放大器驱动AD7988-1时,总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)与输入频率的关系

  图4. AD8641放大器的总谐波失真加噪声(THD+N)与输入频率的关系

  常见变化

AD8641放大器可用于驱动高速、引脚兼容型ADC,如AD7988-5和AD7980,但仅在不超过100 kSPS的较低采样速率下才有效。OP1177放大器能够以双倍的电流(400 μA)驱

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