简介
许多运用都要求选用精细数据收集信号链以数字化模仿数据， 然后完成数据的准确收集和处理。精细体系规划师面对越来越 大的压力，需求找到立异的方法，进步功用、下降功耗，一起 还要在小型PCB电路板上包容更高的电路密度。本文旨在评论精 密数据收集信号链规划中遇到的常见难点，评论怎么运用新一 代16位/18位、2 MSPS、精细逐次迫临寄存器(SAR) ADC处理这些难 点。AD4000/AD4003(16位/18位)ADC根据ADI的高档技能规划而 成，集成了多种简略易用的特性，具有多种体系级优势，有助 于下降信号链功耗，下降信号链杂乱性，进步通道密度，一起 还能进步功用水平。本文将要点评论数据收集子体系功用和设 计应战，阐明该ADC系列怎么在多个终端商场构成运用级影响。
常见的信号链规划难点
图1显现了在构建精细数据收集体系时运用的典型信号链。要求 精细数据收集体系的运用(如主动化测验设备、机械主动化、工 业和医疗仪器仪表)呈现出一般被以为在技能上相冲突的一起趋 势。例如，体系规划师被迫在功用上退让，以坚持严重的体系功 率预算，或许在电路板上保存较小的面积以完成高通道密度。这 些精细数据收集信号链的体系规划师在多个方面面对着一起的挑 战：驱动SAR ADC输入;维护ADC输入以使其免受过压事情影响; 用单电源下降体系功耗;用低功耗微操控器和/或数字阻隔器完成 更高的体系吞吐量等。
图1. 典型的精细数据收集信号链
受开关电容输入结构影响，高分辨率精细SAR ADC的驱动一向是个 扎手的问题。体系规划师需求亲近重视ADC驱动器数据手册，了解 噪声、失真、输入/输出电压上裕量/下裕量、带宽和树立时刻等技 术标准。一般地，选用的高速ADC驱动器需求具有宽带宽、低噪声 和高功率等特征，以便在可用收集时刻内树立SAR ADC输入的开关 %&&&&&%反冲。这项要求会大幅削减用于驱动ADC的可用扩大器挑选， 不得不在功用/功率/面积方面进行大幅退让。别的，挑选一款适宜的RC滤波器置于驱动器与ADC输入之间，这项要求又对扩大器挑选 和功用构成了进一步的约束。ADC驱动器输出与SAR ADC输入之间需 要用RC滤波器来约束宽带噪声，削减电荷反冲的影响。一般状况 下，体系规划师需求花费很多时刻去评价信号链，确保所选ADC驱 动器和RC滤波器能实在驱动ADC，以完成所需功用。
在功耗灵敏型运用(如电池供电仪器仪表)中，一般需求用低压 单电源来运转体系。这尽管最大极限地下降了电路的功耗，但却 给扩大器前端带来了上裕量和下裕量问题。这意味着，或许无法 运用ADC输入的悉数规模，由于驱动扩大器无法一向驱动到地， 也无法一向驱动到ADC输入规模的上限，成果会下降整个体系的 功用。这种状况能够经过进步电源电压来补偿，但其价值是会增 加功耗，或许构成体系的动态规模功用下降。
大都ADC模仿输入(IN+和IN−)除ESD维护二极管以外没有过压保 护电路。在扩大器电轨大于VREF且小于地的运用中，输出有或许 超越器材的输入电压规模。在过压事情中，两个衔接REF的模仿 输入(IN+或IN−)引脚之间的ESD维护二极管正向偏置衔接REF的输 入引脚并使其短路，有或许使基准电压源过载，导致器材损毁， 或许搅扰在多个ADC之间共用的基准电压源。成果就需求为ADC输 入添加肖特基二极管一类的维护电路，防止过压条件危害ADC。不 幸的是，肖特基二极管或许会因漏电流而添加失真及其他差错。
精细运用在衔接ADC的处理器方面有着不同的需求。出于安全考 虑，有些运用需求运用电气阻隔机制，并在ADC与处理器之间使 用数字阻隔器来完成这个意图。这种处理器挑选和阻隔需求对用 于衔接ADC的数字接口的功率构成了约束。一般地，低端处理器/ FPGA或低功耗微操控器都具有较低的串行时钟速率。这或许导致 ADC的吞吐量低于预期，由于在输出转化成果之前存在较长的ADC 转化延时。数字阻隔器也或许约束在阻隔栅上能够完成的最大串 行时钟速率，由于阻隔器中的传达推迟会约束ADC吞吐量。在这些 状况下，最好运用既可完成更高吞吐速率，又无需大幅添加串行 时钟速率的ADC。
AD4000/AD4003精细SAR ADC系列能够处理常见规划应战
AD4000/AD4003系列是根据SAR架构的快速、低功耗、单电源、16 位/18位精细ADC。
AD4000/AD4003精细ADC系列将高功用与简略易用的特性独特别结 合在一起，能够下降体系杂乱性，简化信号链BOM，并大幅缩短 上市时刻(见图2)。凭借该系列，规划师能够处理精细数据采 集体系的体系级技能应战，而且无需做出严重折衷。例如，留给 用户更长的收集时刻、高输入阻抗(Z)形式和跨度紧缩形式等特性 在AD4000/AD4003 ADC系列中的结合能够削减与ADC驱动器级规划 相关的应战，添加ADC驱动器挑选的灵敏性。这样就能够下降体系 总功耗，进步密度，缩短客户规划周期。经过SPI接口写入装备寄 存器，能够使能/禁用大都简略易用的特性。留意，AD4000/AD4003 ADC系列与10引脚AD798x/AD769x ADC系列引脚兼容。
图2. AD4000/AD4003 ADC的首要优势
AD4000/AD4003 ADC简略易用的特性
长收集阶段
AD4000/AD4003 ADC具有更短的转化时刻290 ns，ADC会在当时转化 进程完毕前100 ns回来收集阶段。SAR ADC周期时刻由转化阶段和采 集阶段构成。在转化阶段，ADC电容DAC与ADC输入断开，以履行 SAR转化。输入在收集阶段从头衔接，ADC驱动器有必要鄙人一个转 换阶段开端之前将输入树立至正确的电压。较长的收集阶段能够 下降对驱动扩大器的树立要求，而且答应较低的RC滤波器截止频 率，这意味着能够运用噪声较高且/或功率/带宽较低的扩大器。 能够在RC滤波器中运用较大的R值和较小的对应C值，削减扩大器 安稳性问题，一起也不会大幅影响失真功用。较大的R值有助于在 过压条件下维护ADC输入;一起还能下降扩大器中的动态功耗。
高输入阻抗形式
为了到达高分辨率精细SAR ADC数据手册中列示的最佳功用，体系 规划师一般不得不运用专用的高功率、高速扩大器来驱动其精细 运用中的传统型开关电容SAR ADC输入。这是在精细数据收集信 号链规划中常常遇到的难点之一。高Z形式的优势在于，能在慢 速(<10 kHz)或直流类信号条件下支撑低输入电流，而且可在高达 100 kHz的输入频率规模内完成更高的失真(THD)功用。
AD4000/AD4003 ADC集成了一个高Z形式，在收集开端时，能够在 电容DAC切换回输入时削减非线性电荷反冲。在使能高Z形式时， 电容DAC在转化完毕时充电，以坚持前次采样的电压。这一进程 能够削减转化进程的任何非线性电荷效应，该效应会影响到下次 采样前在ADC输入端收集的电压。
图3所示为AD4000/AD4003 ADC在高Z形式使能/禁用时的输入电流。 低输入电流使ADC比商场上现有的传统SAR ADC更易驱动，即便是 在高Z形式禁用的状况下。假如将图3中高Z形式禁用时的输入电 流与上一代AD7982 ADC的输入电流进行比较，则会发现，AD4003 现已将1 MSPS条件下的输入电流下降了4倍。高Z形式使能时，输 入电流进一步降至次微安级。在输入频率超越100 kHz时，或许在 多路复用输入时，应禁用高Z形式。
凭借AD4000/AD4003 ADC下降的输入电流，就能以比传统SAR高得 多的源阻抗来驱动。这意味着，RC滤波器中的电阻值能够比传统 SAR规划大10倍。
图3. 在高Z使能/禁用条件下的AD4003 ADC输入电流与输入差分电压
如图4所示，AD4000/AD4003 ADC答运用带较低截止频率的RC滤波 器的多种低功率/带宽精细扩大器来驱动ADC，消除了运用专用高 速ADC驱动器的必要性，而且能够下降精细低带宽运用(信号带 宽<10 kHz)的体系功耗、尺度和本钱。终究，AD4000/AD4003答应 根据方针信号带宽，而非根据开关%&&&&&%SAR ADC输入的树立要求来 挑选ADC之前的扩大器和RC滤波器。
图4. 传统精细信号链图5和图6所示为AD4003 ADC的SNR和THD功用，其间，在使能/禁用 高Z及各种不同RC滤波器值的状况下，以2 MSPS的全速吞吐量驱 动AD4003 ADC时，运用的是ADA4077 (IQUIESCENT = 400 µA/扩大器), ADA4084 (IQUIESCENT = 600 µA/扩大器), and
ADA4610 (IQUIESCENT = 1.5 mA/扩大器) 精细扩大器。在2.27 MHz RC带宽和1 kHz输入信号条件下使能 高Z时，这些扩大器可完成96 dB至99 dB的典型SNR以及优于–110 dB 的典型THD。在使能高Z形式时，乃至在R值大于200 Ω时，THD约改 善了10 dB。即便在超低RC滤波器截止频率条件下，最高SNR也接 近99 dB。
在使能高Z时，ADC耗费约2 mW/MSPS的额定功耗，但这依然明显 低于运用ADA4807-1 一类的专用ADC驱动器时的功耗，然后能够节 省PCB电路板面积和物料本钱。关于大都体系，前端一般会约束 信号链能够完成的全体沟通/直流功用。从图5和图6所选的精细 扩大器数据手册中能够看出，精细扩大器本身的噪声和失真性 能在某个输入频率下主导着SNR和THD标准。但是，带高Z形式的 AD4003 ADC能够极大地添加驱动器扩大器的挑选，包含信号调度 级中运用的精细扩大器，一起还可进步RC滤波器挑选的灵敏性。 例如，当AD4003 ADC的高Z使能并合作 ADA4084-2 驱动器扩大器使 用一个4.42 MHz宽带输入滤波器时，SNR功用约为95 dB。假如用 498 kHz滤波器对ADC驱动器噪声进行强力滤波，SNR可进步3 dB， 至98 dB。AD7982 ADC在较低RC截止频率下的SNR功用下降是由于 该ADC输入未在较短的收集时刻内消除反冲。
图5. 运用ADA4077、ADA4084和ADA4610精细扩大器时的SNR与RC带宽
图6. 运用ADA4077、ADA4084和ADA4610精细扩大器时的THD与RC带宽
图7(a)标明，体系规划师能够运用功率低2.5倍的ADC驱动器ADA4077 (比较ADA4807)，在高Z形式禁用时，AD4003 ADC依然能取得 约97 dB的SINAD(比AD7982 ADC高3 dB)。即便RC带宽添加至2.9 MHz，ADA4077扩大器也无法直接驱动AD7982 ADC并取得最佳性 能。假如用较低的RC带宽截止频率强力滤波，驱动器无法在可用 收集时刻内消除ADC反冲，ADC SINAD功用因而下降。在禁用或使能 高Z形式时，AD4003 ADC的开关%&&&&&%反冲大幅减缩，在1 MSPS时的 收集时刻长2.5倍，因而，其SINAD功用依然大幅优于AD7982 ADC。
在使能高Z形式时，在较低RC滤波器截止频率下运用两个ADC驱动 器，AD4003 ADC的SINAD功用较好，这有助于在方针信号宽带较低 时，消除更多来自上游信号链组件的宽带噪声。在不使能高Z形式 时，RC滤波器截止频率与SINAD功用之前存在折衷。
图7. 运用ADA4077和ADA4807时AD4003 ADC和AD7982 ADC扩大器驱动器的比较：在禁用和使能高Z形式时的SINAD与RC带宽(FS = 1 MSPS, fIN = 1 kHz).
跨度紧缩
AD4000/AD4003 ADC集成了一个跨度紧缩形式，对仅用一个单电源 为SAR ADC驱动器供电的体系十分有用。该形式能够消除ADC驱动 器对负电源的要求，一起还能坚持ADC的全分辨率，削减功耗， 下降电源规划杂乱程度。如图8所示，ADC可履行数字缩放功用， 映射从0 V至0.1 V × VREF的零电平代码，以及从VREF至0.9 × VREF的满量 程代码。在减小的输入规模内，AD4000/AD4003 ADC的SNR约为~1.9dB (20*log(4/5))。举例来说，关于选用5 V单电源且典型基准电压为 4.096 V的子体系，满量程输入规模为~0.41 V至3.69 V，为驱动扩大 器供给了足够的裕量。
图8. AD4000/AD4003 ADC跨度紧缩作业形式
过压箝位
在扩大器电轨大于VREF且小于地电压的运用中，输出能够超出器 件的输入电压规模。当正输入超越规模时，电流经过D1流入REF (见图9)，对基准电压源构成搅扰。乃至愈加糟糕的是，或许将 基准电压源拉高至肯定最大基准值的水平，因而或许损坏器材。
当模仿输入超越基准电压~400 mV时，AD4000/AD4003 ADC的内部 箝位电路将敞开，电流将经过箝位流入地，防止输入进一步升高 而或许损坏器材。
图9. AD4003 ADC等效模仿输入电路
如图9所示，AD4000/AD4003 ADC的内部过压箝位电路有一个较大的 外部电阻(REXT = 200Ω)，能够消除外部维护二极管的必要性(并由 此消除额定电路板空间的必要性)。箝位在D1之前敞开，其最大 吸电流才能为50 mA。箝位电路经过将输入电压箝位在安全作业 规模中来防止器材损坏，一起防止对基准电压源构成搅扰，这对 在多个ADC之间共用基准电压源的体系来说特别重要。
高效数字接口
AD4000/AD4003 ADC有一个灵敏的数字串行接口，有七种不同的 形式，而且具有寄存器编程才能。其Turbo形式答运用户在ADC仍 在转化时开端输出前次转化的成果，如图10所示。短转化时刻和 Turbo形式相结合，可完成较低的SPI时钟速率，简化阻隔处理方 案，下降数字阻隔器的推迟要求，添加处理器挑选，包含低端处 理器/FPGA或许串行时钟速率相对低的低功耗微操控器。例如， 运转于1 MSPS时，AD4003 ADC能够运用比AD7982 ADC慢2.5倍的SPI 时钟速率(25 MHz比较于66 MHz)。用户能够写/读回寄存器位， 以使能AD4000/AD4003 ADC简略易用的特性，能够在转化成果上附 加一个6位的状态字，完成确诊和寄存器读回。串行接口标准完 全支撑低至1.8 V的逻辑电平，能够在这些条件下完成2 MSPS全速吞吐量。使能Turbo形式时，要在2 MSPS条件下运转AD4003 ADC， 需求的最低SCK速率为75 MHz。
图10. AD4003 ADC的Turbo作业形式
AD4000/AD4003 ADC功用
AD4000/AD4003 ADC选用1.8 V作业电压，在2 MSPS下的典型功耗为 14 mW/16 mW，线性度十分超卓，最大值为±1.0 LSB (±3.8 ppm)， 确保18位无失码。图11所示为AD4003 ADC的典型INL与代码性 能。AD4003 ADC可在高达奈奎斯特的超宽输入频率规模内完成比 AD7982 ADC更超卓的SINAD功用(图12)，使体系规划师能开宣布 带宽更宽、精度更高的仪器仪表设备。AD4000/AD4003 ADC选用小 型10引脚封装(供给3 mm × 3 mm LFCSP和3 mm × 5 mm MSOP两种 选项)，与AD798x/AD769x ADC系列引脚兼容。
图11. AD4003 ADC INL与代码的联系
图12. AD4003 ADC和AD7982 ADC SINAD与输入频率的联系
AD4000/AD4003 ADC在每个转化阶段完毕时主动关断;因而，其 功耗和吞吐量呈线性改变联系，如图13所示。这一特性使得该器 件十分合适低采样速率(乃至低至几赫兹)和电池供电的便携式 和可穿戴式体系。即便在低占空比运用中，第一个转化成果也始 终有用。
图13. AD4003 ADC功耗与吞吐量的联系
体系运用
AD4000/AD4003 ADC系列集简略易用的特性、高功用、小尺度和 低功耗等特色于一身，是许多精细操控和丈量体系运用的抱负选 择，如图14所示。AD4000/AD4003 ADC能够下降丈量不确定性，提 高可重复性，支撑高通道密度，并能进步主动化测验设备、主动 化机械操控设备和医疗成像设备的吞吐功率。这款ADC十分合适 需求更高频率功用以捕获快速瞬变和飞翔时刻信息的体系，比方 功率分析仪、质谱仪等运用。
图14. AD4000/AD4003 ADC终端体系运用
总结
凭借AD4000/AD4003 ADC系列，规划师能够处理精细数据收集体系的 体系级技能应战，无需做出严重折衷，还能缩短整个体系的规划时 间。AD4000/AD4003 ADC的高功用能够进步丈量精度，其小尺度和低 体系级散热则可完成更高的密度。
作者
Maithil Pachchigar
Maithil Pachchigar 是ADI公司坐落美国麻萨诸塞州威明顿市的仪器仪表、航空航天与国防业务部分的运用工程师。他于2010年参加ADI公司，从事仪器仪表、工业、医疗保健和能源职业的精细ADC产品相关作业和客户支撑。自2005年以来，Maithil一向在半导体职业作业，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。
Alan Walsh
Alan Walsh 是ADI公司的运用工程师。他于1999年参加ADI公司，上任于美国马萨诸塞州威明顿市的精细转化器运用部分。他具有都柏林大学电子工程学士学位。
