简介
高通道密度数据收集体系用于医疗成像、工业进程操控、自动测试设备和40G/100G光通信体系可将很多传感器的信号多路复用至少数ADC，随后依序转化每一通道。 多路复用可让每个体系运用更少的ADC，大幅下降功耗、尺度和本钱。 逐次迫临型ADC——一般依据它们的逐次迫临型寄存器而称它们为SAR ADC——具有低推迟特性，因而合适用于要求对满量程输入阶跃(最差状况)作出快速呼应而无任何树立时刻问题的多路复用体系。 易于运用的SAR ADC供给低功耗和小尺度。 本文要点评论与运用高功用精细SAR ADC的多路复用数据收集体系相关的要害规划考虑要素、功用成果和运用应战。
多路复用数据收集体系应战
多路复用数据收集体系要求选用宽带放大器，以便驱动ADC的满量程(FS)输入规模时可以快速树立。 此外，对多路复用通道进行开关和次序采样有必要与ADC转化周期同步。 相邻输入之间的巨大电压差使这些体系易受通道间串扰的影响。 为了防止发生差错，完好的信号链(包含多路复用器和放大器)有必要树立至所需精度——一般以串扰差错或树立差错表明。 图1显现的是一个数据收集体系框图，该体系包含多路复用器、ADC驱动器和SAR ADC。
图1. 多路复用数字收集体系框图
多路复用器
多路复用器的快速输入切换和宽带宽功用是完结高功用的要害。 多路复用器的敞开或关断时刻表明运用数字操控输入与输出超越VOUT 90%之间的推迟，如图2所示。
图2. 典型多路复用器的开关时刻
当多路复用器切换通道时，在其输入端会发生电压毛刺或反冲。 该反冲与敞开和关断时刻、导通电阻以及负载电容成函数联系。 具有低导通电阻的大开关一般需选用大输出电容，而每次输入端开关时，都有必要将其充电至新电压。 假如输出未能树立至新电压，则将发生串扰差错。 因而，多路复用器带宽有必要满意大，且多路复用器输入端有必要运用缓冲放大器或大电容，才干树立至满量程阶跃。 此外，流过导通电阻的漏电流将发生增益差错，因而这两者都应尽或许小。
ADC驱动器
开关多路复用器的输入通道时，ADC驱动放大器有必要在指定的采样周期内树立一个大电压阶跃。 输入可从负满量程改变到正满量程，也或许从正满量程改变到负满量程，因而短时刻内可创立大输入电压阶跃。 放大器有必要具有较宽的大信号带宽和较快的树立时刻，才干处理该阶跃。 此外，压摆率或输出限流会导致非线性特征。 一起，驱动放大器有必要树立反冲——该反冲是因为收集周期开端时，SAR ADC输入端的充电再平衡所导致。 这或许会成为多路复用体系中输入树立的瓶颈。 通过下降ADC的吞吐速率可缓解树立时刻问题，供给更长的收集时刻，然后答应放大器有充沛时刻树立至所需精度。
图3显现输入端发生满量程改变时，多路复用数据收集体系的时序图。 ADC周期时刻由转化时刻和收集时刻构成 (tCYC = tCONV + tACQ)，其在数据手册中一般指定为1/吞吐速率。 转化开端时，SAR ADC的电容DAC与输入断开衔接，且多路复用器通道可在一个较短的开关推迟时刻tS之后切换到下一通道。 这样，便可有尽或许多的时刻来树立至选定通道。 为了保证最大吞吐速率下的功用，多路复用体系中的一切元器材都有必要在多路复用器切换和收集时刻完毕之间这段时刻内完结ADC输入端的树立。 多路复用器通道开关有必要与ADC转化时刻正确同步。 多路复用体系可完结的吞吐速率等于单一ADC吞吐速率除以采样通道数。
图3. 多路复用数据收集体系典型时序图
多路复用器输入端的RC滤波器
某些规划人员运用低输出阻抗缓冲器处理来自多路复用器输入端的反冲。 SAR ADC的输入带宽(几十MHz)和ADC驱动器的输入带宽(几十到几百MHz)高于采样频率，且所需的输入信号带宽一般为几十到几百kHz规模内，因而多路复用器输入端或许需运用RC抗混叠滤波器，以防搅扰信号(混叠)折回方针带宽，并缓解树立时刻问题。 每个输入通道运用的滤波器电容值都应依据下列权衡条件细心挑选： 大电容有助于衰减来自多路复用器的反冲，但大电容也会下降之前放大器级的相位裕量，使其不安稳。 关于高Q、低温度系数以及各种电压下电气特性安稳的RC滤波器，主张选用C0G或NP0类电容。 应选用合理的串联电阻值，以坚持放大器安稳并约束其输出电流。 电阻值不行过高，不然多路复用器反冲后放大器将无法对电容再充电。
多路复用数据收集信号链
图4显现多路复用数据收集体系的简化信号链。 选用ADG774ADG774 CMOS多路复用器来挑选两个差分通道之一。 若要评价此体系，可接连开关ADG774的正负差分输入，以发生满量程阶跃。 两个超低失真运算放大器ADA4899-1缓冲多路复用器输出，并驱动18位、5 MSPS PulSAR® ADC AD7960。 RC滤波器(33 Ω/56 pF)有助于削减来自AD7960容性DAC输入端的反冲，并约束进入AD7960输入端的噪声。
图4. 多路复用数据收集体系简化信号链
四通道2:1 CMOS多路复用器ADG774具有快速开关速度(tON = 7 ns, tOFF = 4 ns)、低导通电阻(RON = 2.2 Ω), 、宽带宽(f–3dB = 240 MHz)以及低功耗(5 nW)，是便携式和电池供电型仪器外表的抱负之选。 ADG774的输入端衔接5 V固定基准电压源和地，然后输出应从正满量程摇摆到负满量程。 图5显现典型的导通电阻与输入电压联系曲线，该曲线输入电压规模为完好的0 V至5 V模仿输入，温度规模为–40°C至+85°C。 该功用水平可保证快速开关信号时具有超卓的线性度和低失真功用。
图5. ADG774导通电阻与输入电压的联系
ADG774的输出衔接至高输入阻抗放大器级。 ADA4899-1高速运算放大器具有超低噪声(1 nV/√Hz)和超低失真(−117 dBc)、600 MHz带宽以及310 V/μs压摆率功用。 该器材选用+7 V和−2.5 V电源供电，具有满意的裕量完结低体系噪声和失真。 如图6所示，在2 V p-p输入信号时，放大器的0.1%树立时刻为50 ns，是驱动AD7960的抱负之选。
图6. ADA4899-1典型树立时刻
精细差分ADC AD7960具有同类一流的噪声和线性度功用，无推迟或流水线推迟，供给高精度(18位分辨率、±0.8 LSB INL、99 dB SNR和–117 dB THD)、快速采样(5 MSPS)、低功耗和低本钱特性。 该器材选用+5 V (VDD1)和+1.8 V(VDD2和VIO)电源供电，以回波时钟形式转化时的功耗仅为46.5 mW (5 MSPS)。 其内核功耗随吞吐速率线性改变，因而非常合适低功耗、高通道密度运用。 可以运用低噪声LDO(比方源。ADP7104和ADP124)发生5 V和1.8 V电源。
该ADC的满量程差分输入规模通过外部基准电压源设为5 V或4.096 V。 若要充沛运用动态规模，则输入信号有必要从0摇摆到VREF。 在该信号链中，5 V基准电压由高精度(±0.02%最大初始差错)、低功耗(950 µA最大作业电流)基准电压源ADR4550供给，该基准电压源具有超卓的温度安稳性和低输出噪声。 轨到轨运算放大器AD8031缓冲外部基准电压。 该器材具有大容性负载安稳性，可驱动去耦电容，以便最大程度下降瞬态电流引起的尖峰。 AD8031合适从宽带宽电池供电体系到低功耗、高器材密度、高速体系的各种运用。
AD7960数字接口选用低压差分信号(LVDS)，具有自时钟形式和回波时钟形式，供给ADC和数字主机之间高达300 MHz(CLK±和D±)的高速数据传输。 LVDS接口答应多个器材同享时钟，然后下降数字线路的数量，并简化信号路由。 比较并行接口它具有更低的功耗，因而在多路复用运用中尤为有用。
AD7960在转化开端后大约115 ns内回来收集形式，收集信号的时刻约为200 ns总周期时刻的40%。 这一相对较长的收集时刻减轻了放大器的带宽担负并下降了树立时刻要求，使得差分输入更易于驱动。 5 MSPS吞吐速率答应多个通道以高扫描速率进行多路复用，因而高通道数体系所需的ADC数量更少。
转化期间，AD7960的静态时刻要求为90 ns至110 ns，期间多路复用器输入不行切换。 因而，为了防止损坏正在进行中的转化，有必要在CNV±起始信号上升沿后缺乏90 ns或超越110 ns时切换外部多路复用器。 假如在此静态期间切换模仿输入，则最多可损坏15 LSB的当时转化。 应当尽或许早地切换模仿输入，然后有尽或许多的时刻来摇摆满量程信号并树立输入。
每16次转化之后，多路复用器将在CNV±上升沿往后，于–5 V和+5 V之间开关大约10 ns，如图7所示。这样会发生满量程差分阶跃，因而ADC输出从负满量程变为正满量程，如图8所示。
图7. 示波器曲线显现来自内部CAP DAC的反冲
图8. AD7960输出显现ADG774在每16次转化往后开关
这一开关时刻推迟有必要大于ADC的1.6 ns孔径推迟。 ADC输入端测得的信号显现来自AD7960中容性DAC的反冲约为1 V p-p(图7，赤色高亮部分)。 为了保证输出彻底树立，作业速率为5 MSPS时，驱动放大器有必要鄙人一次转化开端前树立此瞬态，即大约80 ns采样时刻内。 以较低的吞吐速率运转ADC可让该反冲有更多的收集时刻去树立，然后多路复用器输入通道之间的串扰差错更低，一起满量程阶跃树立时刻功用更佳。
多路复用器输入端测得的信号还显现出来自通道开关的反冲。 多路复用器输入端的缓冲放大器有助于树立该反冲。 若因为本钱或空间等原因无法运用输入缓冲放大器，则可在输入端增加一个通过优化的RC滤波器，以下降反冲和串扰的影响。 多路复用器输入端运用的RC滤波器值会影响信号链的总噪声和树立时刻。
当多路复用器停止时，AD7960运转在5 MSPS最大吞吐速率下的数据收集体系输出脱离正常满量程约14 LSB，可表明体系的总增益和失调差错。 关于大多数运用而言，该多路复用器开关时，ADA4899-1驱动放大器有助于在可以承受的通道间串扰差错规模内使输出树立至正和负满量程。 输出差错与吞吐速率成指数联系，并在5 MSPS时到达0.01%最大值，如图9所示。较低吞吐速率下的零串扰差错表明ADC输出在第一次转化期间树立至其最终值。
图9. 串扰差错与吞吐速率的联系，以满量程起伏的百分比表明
如图10所示，1 V p-p(满量程的10%)时，相关于满量程的串扰差错缺乏0.001%，而且随差分输入起伏成线性改变联系。 相关于阶跃起伏的串扰差错在整个输入规模内几乎是平整的，而且总是缺乏0.01%。
图10. 串扰差错与差分输入信号的联系
该多路复用信号链在噪声与树立时刻之间取得了最佳平衡，具有最优功用。 这些成果表明，树立大电压阶跃、从ADC输入端反冲以及在多路复用操作中下降串扰差错起伏时需求用到宽带宽、快速树立放大器。
多路复用数据收集体系布局考虑要素
印刷电路板(PCB)布局关于坚持信号完好性以及完结信号链的预期功用至关重要。 图11所示为69 mm × 85 mm四层评价板的顶视图。 在电路板上进行独立元器材和各种信号路由布局时有必要非常细心。 本例中，输入信号从左至右进行传递。 ADC的悉数电源和基准电压源引脚都有必要选用电容去耦;电容应接近DUT放置，并运用短而宽、低阻抗的走线进行衔接，以便为高频电流供给途径、最大程度下降EMI的影响并削减电源线路上的毛刺效应。 数据手册中主张的典型值为10 µF和100 nF。 多路复用器、放大器以及ADC的输入和输出引脚之下的接地层和电源层应予以移除，以防止发生搅扰寄生%&&&&&%。 器材的暴露焊盘应运用多个过孔直接焊接到PCB的接地层上。 将灵敏模仿部分与数字部分相阻隔，一起使电源电路远离模仿信号途径。 快速开关信号(比方CNV±或CLK±)不该接近或跳过模仿信号途径，以防噪声耦合至ADC。
图11. 多路复用数据收集体系评价板顶层
多路复用数据收集运用
工业自动化和医疗成像中运用的高功用、多通道数据收集体系要求具有宽带宽、高精度和快速采样功用——一切这一切都有必要通过小尺度、低本钱器材完结。 18位AD7960和16位AD7961具有5 MSPS吞吐速率，答应更多通道多路复用至更少的ADC，一起大幅下降本钱、功耗和封装尺度。 这有助于规划人员应对高通道密度体系中常常遇到的空间、散热、功耗和其他重要规划挑应战。
超卓的线性度和低噪声功用可提高计算机断层扫描(CT)和数字X射线(DXR)运用中的图画质量。 在高采样速率下将很多通道切换至较少的ADC可供给更短的扫描周期，一起下降暴露在X射线下的剂量，然后完结准确、本钱合理的确诊以及更佳的患者体会。 在CT扫描仪中，每通道运用一个积分器和采样坚持电路接连捕获像素电流，并将输出多路复用至高速ADC。 低噪声模仿前端将来自每个像素的小电流转化为大电压，然后再将电压转化为可以处理的数字数据。
多路复用医疗成像体系——特别是CT和DXR——指定相邻像素的典型像素间串扰差错为±0.1%，而非相邻像素的差错为±0.01%。 本文所示成果表明，本多路复用信号链在最大吞吐速率和满量程规模内发生的串扰差错仍处于可承受的限值之内。
定论
高功用、高通道密度、多路复用数据收集体系要求具有牢靠的功用、灵敏的功用以及高精度，一起还要满意功耗、空间和散热要求。 本文供给依据要害规划考虑要从来挑选多路复用信号链元器材以完结预期功用的攻略，以及如安在吞吐速率、树立时刻和噪声之间进行权衡取舍。 该信号链可完结最优功用，满量程规模内的5 MSPS串扰差错不超越0.01%。
作者简介
Maithil Pachchigar[maithil.pachchigar@analog.com] 是坐落马萨诸塞州威明顿的ADI高精度转化器业务部门的运用工程师。 他于2010年参加ADI公司，为工业、外表、医疗和能源职业的客户供给高精度ADC产品技术支持。 自2005年以来，Maithil一直在半导体职业作业，并已宣布多篇技术文章和运用笔记。 他于2006年取得圣何塞州立大学电气工程硕士学位，并于2010年取得硅谷大学MBA学位。
