利用过采样添加SAR ADC的动态规模

您运用过任何ADC（Δ-Σ或SAR）并使其作业在过采样形式下吗？ 您是否得到了需求的成果？ 您遇到过什么问题吗？

曾经有些关于Δ-Σ和SAR（逐次迫临型）ADC概述中，曾评论过信噪比(SNR)和有效位数(ENOB)相关的过采样技能。 过采样技能最常用于Δ-Σ型ADC，但也可用于SAR ADC。 本文将对此做进一步评论。 首先是体系级概要介绍：

用于光谱剖析、磁共振成像(MRI)、气相色谱剖析、振荡、石油/天然气勘探和地震仪的高功用数据收集信号链要求具有高动态规模(DR)功用，一起降低功耗、尺度和本钱。 取得较高动态规模的一种办法，是对转化器过采样，以便准确监控并丈量来自传感器弱小和激烈的输入信号。

还有其它多种办法能够提高ADC动态规模，比方并行运转多个ADC并对输出成果进行数字后期处理以取得均匀值，或许运用可编程增益放大器。 但是，有些规划师可能会觉得这些办法太费事，或许觉得不能在他们的体系中完成——这首要是因为功耗、尺度以及本钱的约束。 本技能文章要点评论高吞吐速率、5 MSPS、18/16位精细SAR转化器的过采样，运用直观的ADC样本求均值，提高动态规模功用。

过采样是一种 高性价比的进程，以大幅高于奈奎斯特频率的速率对输入信号进行采样，提高SNR和分辨率 (ENOB)，一起还能下降抗混叠滤波器的要求。 原则上讲，对ADC进行4倍过采样可额定供给1位分辨率，或添加6 dB的动态规模。 提高过采样率(OSR)可下降全体噪声并添加DR，因为过采样为ΔDR = 10log10 (OSR)，单位dB。

类似于Δ-Σ型ADC过采样、高吞吐速率SAR ADC过采样还能改进抗混叠功用，并下降总噪声。 许多情况下，过采样是Δ-Σ型ADC的固有特点，能够顺利完成，而且集成数字滤波器和抽取功用。 但是，Δ-Σ型ADC一般不合适用于输入通道间的快速切换（多路复用）。 如图1所示，Δ-Σ型ADC根本过采样调制器对量化噪声进行整形，使其大部分出现在方针带宽以外，然后添加低频下的全体动态规模。 然后，数字低通滤波器(LPF)过滤方针带宽以外的噪声，抽取器下降输出数据速率，使其回落至奈奎斯特速率。

图1. 奈奎斯特转化器过采样

关于其实践作业原理的示例，可参阅AD7960和AD7961器材。 这两款器材别离是18/16位ADC，最高转化速率为5 MSPS。 它们运用专有的容性数模转化技能，可下降噪声并改进线性度，一起不会发生推迟或流水线推迟。 因为兼具低RMS噪声和高吞吐速率功用，因而完成了低噪底。 这使得这些ADC合适于过采样运用。

AD7960/AD7961系列选用1.8 V和5 V电源供电，在自时钟形式下进行转化时，5 MSPS速率的功耗仅为39 mW；而在回波时钟形式下进行转化时，5 MSPS速率的功耗为46.5 mW。 如图2所示，功耗随吞吐速率线性改变，使其十分合适低功耗便携式运用。

图2. AD7960功耗与吞吐速率的联系

图3. AD7960/AD7961评价设置的原理示意图（未显现一切去耦）

AD7960/AD7961系列可将反相模仿输入信号（IN+和IN−）的差分电压转化为数字输出信号。 模仿输入IN+和IN−要求共模电压等于基准电压的一半。 低噪声、低功耗放大器AD8031缓冲来自低噪声、低漂移ADR4550的5 V基准电压，还可缓冲AD7960/AD7961的共模输出电压(VCM)。

低噪声和超低失真ADA4899-1装备为单位增益缓冲器，并以0 V至5 V差分反相（相互之间呈180°反相）驱动AD7960/AD7961的输入。 电路运用+7 V和-2.5 V电源，用于ADA4899-1驱动器的输入，以最大程度下降功耗，完成最佳体系失真功用。 运用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1操控器板评价设置简化原理图如图3所示。

在本文榜首部分，咱们开端评论选用SAR ADC来下降噪声、添加动态规模和ENOB， 办法是根据过采样——一般用于低速、高分辨率∆-Σ型ADC——其它器材较少选用。 然后，咱们然后评论了运用评价板和软件的SAR ADC测验成果。

在第二部分，咱们将持续评论AD7960/AD7961。 咱们还将评论可用的评价板和软件，它们能够进行剖析。 咱们将看到这些ADC的功用怎么。 经过ADC的FFT输出，运用评价板可轻松看出功用。

过采样才能由AD7960/AD7961评价软件对ADC输出样本简略求均匀而完成，也就是说，将ADC样本数量相加，然后除以过采样率，然后提高动态规模。 该软件答运用户从装备选项卡的下拉菜单中挑选高达256的过采样率，如图4所示。可完成的最大动态规模受限于体系的低频1/f噪声，该噪声在低于20 kSPS的较低输出数据速率下占主导地位。

图4. AD7960/AD7961评价软件面板

从直流到fs/2规模内的信号频谱以及平整噪声如图5和图6所示，表明可对噪声进行过滤，使其下降至fs/(2 × OSR)，以改进动态规模和SNR。 此刻，过采样动态规模是峰值信号功率与ADC输出FFT丈量的噪声功率之比，丈量规模为直流至fs/(2 × OSR)，其间fs表明ADC采样速率。

图5. AD7960在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出（OSR = 256，REF = 5 V）

图6. AD7961在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出（OSR = 256，REF = 5 V）

如数据手册所述，选用5 V基准电压源时，AD7960和AD7961可别离完成100 dB和96 dB典型动态规模；因而理论上因为256过采样，咱们应当看到动态规模添加了24 dB。

在实践中，这些器材测得的过采样动态规模别离为122 dB和119 dB，在19.53 kSPS输出数据速率下进行256倍过采样时无输入信号，这与理论核算值比较动态规模下降了1 dB到2 dB。 它遭到来自信号链组件、输入源和印刷电路板的低频噪声约束。 选用1 kHz满量程正弦波输入信号时，这些器材别离可完成大约111 dB和110 dB的过采样SNR。 图7显现AD7960怎么随过采样率添加和输出数据速率下降而完成动态规模的添加。

图7. AD7960动态规模与输出数据速率的联系

MRI体系作业频段为1 MHz至100 MHz RF，而核算机断层扫描(CT)和数字X射线作业在1016 Hz至1018 Hz频率规模内，而且需求让患者暴露在电离辐射下，会危害活安排。 MRI梯度操控体系要求极高的动态规模、紧凑的线性度以及从DC到几十kHz的快速呼应时刻，而且要求在模仿或数字域中，其梯度准确操控到大约1 mA (1 ppm)以内，以增强图画质量。

运用具有优异标准数据的过采样SAR ADC（比方AD7960）可让规划工程师完成高动态规模，一起满意MRI体系的要害要求。 这类体系要求可在医院或医师办公室中重复、长时间安稳丈量。 规划工程师应当留意的其它要求是高分辨率、精度、低噪声、快速改写速率和极低的输出漂移。

Maithil Pachchigar是ADI公司精细转化器业务部的一名运用工程师。 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产品技能支持。 自2005年以来，Maithil一直在半导体职业作业，并已宣布多篇技能文章。 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。