對(duì)于儀表、工業(yè)及醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中的許多應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)了大量數(shù)據(jù)采集卡，與各種類(lèi)型傳感器實(shí)現(xiàn)接口，如光學(xué)、溫 度、壓力、磁性、振動(dòng)和聲學(xué)傳感器等等。這些傳感器的輸出信號(hào)通常為單端或差分信號(hào)。在這類(lèi)應(yīng)用中，模擬前端接收單 端或差分信號(hào)，并執(zhí)行所需的增益或衰減、抗混疊濾波及電平轉(zhuǎn)換，之后在滿量程電平下驅(qū)動(dòng)ADC輸入端。無(wú)論單端至差分 還是全差分信號(hào)鏈配置，兩者都需要額外電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。不過(guò)，全差分信號(hào)鏈的噪聲抑制能力更強(qiáng)大且信號(hào)擺幅變?yōu)閮杀叮鷥r(jià)就是功耗增大且信號(hào)鏈更復(fù)雜。模擬前端有時(shí)在ADC驅(qū)動(dòng)器級(jí)前面針對(duì)高阻抗傳感器接口使用一個(gè)可選 儀表放大器或JFET放大器。根據(jù)應(yīng)用要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要么將各種傳感器的輸出多路復(fù)用到單個(gè)數(shù)據(jù)采集通道中，要么進(jìn)行同時(shí)采樣以數(shù)字化來(lái)自各傳感器的信號(hào)，從而提高每通道采樣速率。他們需找到創(chuàng)新的方法在較佳性能、熱功耗及電路密 度提高這些挑戰(zhàn)之間保持平衡。圖1顯示典型高階傳感器至數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。

圖1. 典型傳感器至數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集信號(hào)鏈

兩種常用方法是單端至差分轉(zhuǎn)換和差分至差分轉(zhuǎn)換。

本文提出了一種針對(duì)全差分和單端輸入信號(hào)配置的低功耗精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案，重點(diǎn)闡述其關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量，并說(shuō)明如何針對(duì)空間受限應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較佳性能。本文所提供的低功耗信號(hào)鏈采用ADA4940-1 低噪聲全差分放大器、 AD7982 差分輸入18位PulSAR? ADC和ADR435 精密基準(zhǔn)電壓源，因?yàn)闊o(wú)需額外驅(qū)動(dòng)器級(jí)并且節(jié)省了電路板空間，所以模擬信號(hào)調(diào)理變得更容易了。

全差分18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈

逐次逼近寄存器(SAR) ADC因其高精密度性能、低延遲和相對(duì)較低的功耗而用于眾多應(yīng)用中。全差分輸入單極性SAR ADC具有較高 分辨率及更好的交流和直流性能，其中大多數(shù)需要輸入共模電壓為V REF /2以便使各輸入的信號(hào)擺幅和差分反相信號(hào)(彼此呈180°反相)最大。這可能需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。精密低功耗 18位1 MSPS AD7982差分輸入單極性PulSAR ADC需要一個(gè)差分ADC驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)較佳性能。該ADC提供一個(gè)兼容SPI、QSPI和其他 數(shù)字主機(jī)的多功能串行數(shù)字接口。該接口既可配置為簡(jiǎn)單的3線模式以實(shí)現(xiàn)最少的I/O數(shù)，也可配置為4線模式以提供菊花鏈回 讀和繁忙指示選項(xiàng)。4線模式還支持CNV (轉(zhuǎn)換輸入)的獨(dú)立回讀時(shí)序，使得多個(gè)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)同步采樣。

ADA4940-1是一款低功耗、低噪聲、全差分放大器，采用ADI專(zhuān)有的SiGe互補(bǔ)雙極性工藝制造，針對(duì)驅(qū)動(dòng)16位和18位ADC而優(yōu) 化，性能下降幅度極小。如圖2所示，該器件驅(qū)動(dòng)18位、1 MSPSADC AD7982的差分輸入，而低噪聲精密5 V基準(zhǔn)電壓源ADR435用來(lái)提供ADC所需的5 V電源。ADR435可提供充足的輸出電流，并在AD7982的REF引腳端使用22 μF去耦電容，無(wú)需基準(zhǔn)電壓源緩沖器。圖2所示的所有IC均采用3 mm × 3 mm LFCSP、4 mm × 4 mmLFCSP和3 mm × 5 mm MSOP的小型封裝，從而有助于縮小電路板 空間。

圖2. 低功耗全差分18位1 MSPS數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈(簡(jiǎn)化示意圖：未顯示所有連接和去耦)

一個(gè)單極2.7 MHz RC (22 ?，2.7 nF)低通濾波器放在ADC驅(qū)動(dòng)器輸出和ADC輸入之間，有助于在ADC輸入端限制噪聲，減少來(lái)自SARADC輸入端容性DAC的反沖。不過(guò)，過(guò)大的限帶可能會(huì)影響建立時(shí)間和增加失真。因此，為該濾波器找到最優(yōu)RC值很重要。為使RC濾波器具有高Q、低溫度系數(shù)，并且在變化電壓下具有穩(wěn) 定的電氣特性，建議使用C0G或NP0型電容。應(yīng)選用合理的串聯(lián)電阻值，以保持放大器穩(wěn)定并限制其輸出電流。

低失真高性能信號(hào)源Audio Precision ? SYS-2702用于下面所有測(cè)試示例，可實(shí)現(xiàn)最較佳性能。在這種情況下，將來(lái)自信號(hào)源的9.6 V p-p差分輸出饋送至ADC驅(qū)動(dòng)器輸入，以使用5 V基準(zhǔn)電壓源實(shí)現(xiàn)ADC 的滿量程動(dòng)態(tài)范圍性能。輸出共模電壓為2.5 V時(shí)，ADA4940-1各輸出的擺幅在0.1 V和4.9 V之間，相位相反，向ADC輸入端提供增 益為1、9.6 V p-p的差分信號(hào)。應(yīng)注意，ADA4940-1各輸入需要和接地有200 mV下裕量，和5 V電源有1.2 V上裕量。ADA4940-1各輸出也需要跟接地和5 V電源分別有100 mV的下裕量和上裕量。

ADA4940-1用作ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶可以進(jìn)行必要的信號(hào)調(diào)理，包括對(duì)信號(hào)實(shí)施電平轉(zhuǎn)換和衰減或放大，以便使用四個(gè)電阻實(shí) 現(xiàn)更大動(dòng)態(tài)范圍，從而不再需要額外的驅(qū)動(dòng)器級(jí)。采用反饋電阻(R2 = R4)對(duì)增益電阻(R1 = R3)之比設(shè)置增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 k?。

對(duì)于平衡差分輸入信號(hào)，有效輸入阻抗為2×增益電阻(R1或R3) = 2 k?，對(duì)于非平衡(單端)輸入信號(hào)，有效阻抗根據(jù)下式約 為1.33 k?

如果需要可以在輸入端并聯(lián)一個(gè)端接電阻。

ADA4940-1內(nèi)部共模反饋環(huán)路強(qiáng)制共模輸出電壓等于施加到V OCM輸入的電壓，提供了出色的輸出平衡。當(dāng)兩個(gè)反饋系數(shù)(β1和β2)不相等時(shí)，差分輸出電壓取決于V OCM ；此時(shí)，輸出幅度或相位的任何不平衡都會(huì)在輸出端產(chǎn)生不良共模成分，導(dǎo)致差分輸出中有冗余噪聲和失調(diào)。因此，在這種情況下(即，β1 = β2)，輸入源 阻抗和R1 (R3)的組合應(yīng)等于1 k?，以避免各輸出信號(hào)的共模電壓失配，并防止ADA4940-1的共模噪聲增加。

噪聲分析

信號(hào)在印刷電路板(PCB)的走線以及長(zhǎng)電纜中傳輸時(shí)，系統(tǒng)噪聲會(huì)累積在信號(hào)中，而差分輸入ADC會(huì)抑制表現(xiàn)為共模電壓的任 何信號(hào)噪聲。差分信號(hào)使ADC的動(dòng)態(tài)范圍增大，同時(shí)也提供更好的諧波失真性能。

這款18位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的預(yù)期信噪比(SNR)理論值可通過(guò)每個(gè)噪聲源(ADA4940-1、ADR435和AD7982)的和方根(RSS)計(jì)算得到。

ADA4940-1在100 kHz時(shí)的低噪聲性能典型值為3.9 nV/ √ Hz，如圖3所示。

圖3. ADA4940-1輸入電壓噪聲頻譜密度和頻率的關(guān)系

必須計(jì)算差分放大器的噪聲增益，以便找到等效輸出噪聲貢獻(xiàn)。

差分放大器的噪聲增益為：

是兩個(gè)反饋系數(shù)。

應(yīng)當(dāng)考慮下列差分放大器噪聲源：

由于ADA4940-1輸入電壓噪聲為3.9 nV/ √ Hz，其差分輸出噪聲應(yīng)當(dāng)為7.8 nV/ √ Hz。

ADA4940-1數(shù)據(jù)手冊(cè)中的共模輸入電壓噪聲(e OCM )為83 nV/ √ Hz，因此其輸出噪聲為

給定帶寬條件下，R1、R2、R3和R4電阻噪聲可根據(jù)約翰遜-奈奎斯特噪聲方程計(jì)算。e Rn = e Rn = √ (4kB TR)，其中k B 是玻爾茲曼常數(shù)(1.38065 × 10 – 23 J/K)，T為電阻絕對(duì)溫度(開(kāi)爾文)，而R為電阻值(Ω)。來(lái)自反饋電阻的噪聲為e R2 = e R4 = 4.07 nV/ √ Hz。

來(lái)自R1的噪聲為e R1 × (1 – β1) × NG = 4.07 nV/ √ Hz，而來(lái)自R3的噪聲為e R3 × (1 – β2) × NG = 4.07 nV/ √ Hz。

ADA4940-1數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電流噪聲為0.81 pA/ √ Hz。

反相輸入電壓噪聲：
iIN– × R1|| R2 × NG = 0.81 nV/√Hz

同相輸入電壓噪聲：
iIN+ × R3|| R4 × NG = 0.81 nV/√Hz

因此，來(lái)自ADA4940的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)為：

(RC濾波器之后)的ADC輸入端總積分噪聲為：

AD7982的均方根噪聲可根據(jù)5 V基準(zhǔn)電壓源典型信噪比(SNR，98 dB)計(jì)算得到。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC的總噪聲貢獻(xiàn)為

注意，本例中忽略來(lái)自ADR435基準(zhǔn)電壓源的噪聲貢獻(xiàn)，因?yàn)樗浅Ｐ　?/p>

因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理論SNR可根據(jù)下式近似計(jì)算。

AD7982在1 kHz輸入信號(hào)時(shí)，SNR典型值為96.67 dB，THD典型值為–111.03 dB，如圖4中的FFT性能圖所示。這種情況下測(cè)得的SNR為96.67 dB，非常接近上文中的96.95 dB SNR理論估算值。數(shù)據(jù)手冊(cè)中98 dB的目標(biāo)SNR的實(shí)際損耗由來(lái)自ADA4940差分放大器電路的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)所導(dǎo)致。AD7982的典型INL和DNL性能如圖5所示。

圖4. FFT曲線圖，f IN = 1 kHz，F(xiàn) S = 1 MSPS (將ADA4940-1配置成全差分驅(qū)動(dòng)器)

圖5. INL和DNL曲線圖(采樣頻率為1 MSPS，最小/最大INL = +1.6/–1.1 LSB，DNL = ±0.5 LSB)

單端至差分18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈

在許多應(yīng)用中，最常出現(xiàn)的情況是差分ADC采用單端至差分配置，因?yàn)閬?lái)自許多傳感器的輸出信號(hào)通常為單端，而且在某 些情況下，傳感器后面的是儀器或者JFET放大器級(jí)。在這種情況下，需要使用額外電路對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換， 以便在下游將信號(hào)饋送至差分輸入ADC，并充分利用ADC的滿量程范圍。可以使用分立式放大器解決方案以多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn) 單端至差分轉(zhuǎn)換，每種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。不過(guò)，代價(jià)就是需要額外的電路板空間且成本增加。所提出的使用全差分ADC驅(qū) 動(dòng)器的低功耗解決方案采用單端至差分轉(zhuǎn)換配置來(lái)實(shí)現(xiàn)較佳性能，ADC的集成輸出共模控制也減輕了電平轉(zhuǎn)換信號(hào)的負(fù)擔(dān)， 因而無(wú)需額外的信號(hào)調(diào)理級(jí)。該電路也可接受來(lái)自信號(hào)源的±4.8 V單端輸入信號(hào)以產(chǎn)生9.6 V p-p全差分輸出信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)ADC 輸入以最大程度提高動(dòng)態(tài)范圍性能，如圖6所示。AD7982在1 kHz輸入信號(hào)時(shí)，SNR典型值為95.89 dB，THD典型值為–110.14 dB，如 圖7中的FFT性能所示。

圖6. 低功耗單端至差分18位1 MSPS數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈(簡(jiǎn)化示意圖：未顯示所有連接和去耦)

圖7. FFT曲線圖，f IN = 1 kHz，F(xiàn) S = 1 MSPS (將ADA4940-1配置成單端至差分驅(qū)動(dòng)器)

功耗

許多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求具有低功耗，并縮小電路板尺寸，以滿足空間受限應(yīng)用的需要。AD7982采用2.5 V V DD 單電源供電，使用5 V基準(zhǔn)電壓源和3 V VIO電源供電時(shí)，1 MSPS下的功耗僅為大約6.1 mW。如圖8所示，功耗與吞吐速率呈線性關(guān)系，因而ADC非常適合高低(甚至可低至若干Hz)兩種采樣速率。電池供電便攜式儀器的功耗也非常低。ADC的基準(zhǔn)電壓可獨(dú)立于電源電壓(V DD)進(jìn)行設(shè)置，后者決定ADC的輸入滿量程范圍。這種情況下，用于AD7982的5 V基準(zhǔn)電壓源從ADR435精密帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出，并在外部施加于REF引腳，該基準(zhǔn)電壓源采用板載7.5 V電源供電，典型功耗為4.65 mW。

圖8. AD7982功耗與吞吐速率的關(guān)系

ADA4940-1采用5 V單電源供電，功耗典型值為6.25 mW。其輸出擺幅范圍為0.1 V至9 V，共模電壓為2.5 V，能為ADC提供滿量程輸入。該器件的軌到軌輸出可驅(qū)動(dòng)至各供電軌的0.1 V范圍內(nèi)，而音頻頻率范圍的交流性能下降幅度極小。

上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括ADC驅(qū)動(dòng)器、ADC和基準(zhǔn)電壓源，總功耗典型值約為17 mW。

評(píng)估設(shè)置

將Audio Precision SYS-2702信號(hào)源、ADA49xx-1 EVAL-BRDZ、 EVAL-AD7982SDZ PulSAR AD7982 PulSAR AD7982評(píng)估板和 EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái) 連接在一起的簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)置如圖9所示。對(duì)于以上所有測(cè)試，均使用配備有USB端口運(yùn)行Windows 7的PC來(lái)運(yùn)行AD7982 PulSAR評(píng)估軟件。

圖9. 評(píng)估設(shè)置功能框圖

對(duì)于給定應(yīng)用選擇ADC驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)SAR ADC時(shí)，詳細(xì)查閱噪聲、帶寬、建立時(shí)間、輸入和輸出上裕量/下裕量以及功耗要求很重要。本文針對(duì)單端和全差分輸入信號(hào)配置提出的18位數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈可實(shí)現(xiàn)較佳性能，總功耗只有約17 mW，因?yàn)椴恍枰~ 外模擬信號(hào)調(diào)理級(jí)，所以可節(jié)省電路板空間而增加通道密度。使用ADA4940-1的其它低功耗精密信號(hào)鏈也適用于驅(qū)動(dòng)16位1 MSPS/500 kSPS差分PulSAR ADCAD7915/AD7916，而這兩個(gè)ADC可 以直接代替AD7982，實(shí)現(xiàn)適合空間受限應(yīng)用的較佳性能。

審核編輯：郭婷