Maithil Pachchigar

自動化測試設備、機器自動化、工業和醫療儀器等應用需要精密數據采集系統，以便準確地分析和數字化物理或模擬信息。想要通過高分辨率、精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC實現完整數據手冊規格的系統設計人員通常被迫使用專用的高功率、高速放大器來驅動傳統的開關電容SAR ADC輸入，以滿足其精密應用的需求。這是設計精密數據采集信號鏈時遇到的常見痛點之一，本文介紹引腳兼容的AD4000 ADC系列，以解決這一問題。該系列16/18/20位精密SAR ADC采用ADI公司的先進技術和先進架構設計，具有易用性特性，具有多種系統級優勢，可降低信號鏈功耗和復雜性，提高通道密度，同時不影響性能。高阻態模式、降低輸入電流和長采集相位的獨特組合簡化了ADC驅動挑戰，并降低了對ADC驅動器的建立要求。這拓寬了驅動ADC的放大器選擇范圍，使其采用低功耗/帶寬精密放大器，包括JFET和用于直流或低頻（<10 kHz）應用的儀表放大器。這是之前出版的《模擬對話》的后續版本1本文將介紹具有較低RC濾波器截止頻率的各種精密放大器，可直接驅動該ADC，同時實現最佳性能，無需專用ADC驅動器級，并顯著節省系統功耗、電路板空間和BOM成本。

驅動傳統SAR ADC輸入

圖1顯示了用于構建精密數據采集系統的典型信號鏈。驅動高分辨率、高精度SAR ADC歷來是系統設計人員的主要痛點之一，也是由于開關電容輸入而面臨的一個棘手問題。

圖1.典型精密數據采集信號鏈。

系統設計人員需要密切關注ADC驅動器數據手冊，并查看噪聲、失真、輸入/輸出電壓裕量/裕量、帶寬和建立時間規格。通常，需要寬帶寬、低噪聲和高功率的高速ADC驅動器，以便在可用采集時間內建立SAR ADC輸入的開關電容反沖。這大大減少了放大器驅動ADC的選項，并導致顯著的性能/功耗/面積權衡。此外，選擇合適的RC濾波器放置在驅動器和ADC輸入之間會對放大器的選擇和性能施加進一步的限制。ADC驅動器輸出和SAR ADC輸入之間需要RC濾波器來限制寬帶噪聲并降低電荷反沖的影響。通常，系統設計人員需要花費大量時間來評估信號鏈，以確保所選的ADC驅動器和RC濾波器能夠驅動ADC實現所需的性能。

如圖2時序圖所示，SAR ADC吞吐量（1/周期時間）由轉換和采集階段組成，在采集階段，可以使用串行SPI接口輸出來自ADC的數據。在傳統的SAR架構中，轉換階段通常較長，采集階段較短。在轉換階段，ADC電容DAC與ADC輸入斷開，以執行SAR轉換。輸入在采集階段重新連接，ADC驅動器必須在下一個轉換階段開始之前將非線性輸入反沖建立到正確的電壓。ADC驅動器無法在可用采集時間內建立傳統的SAR ADC反沖，并在較低的RC帶寬截止下進行強力濾波，因此ADC失真/線性度性能會降低。

圖2.傳統SAR ADC的時序圖

圖3.AD4000 ADC系列的時序圖，包括輸入反沖。

更長的采集階段

AD4000 ADC系列具有290 ns的極快轉換時間，ADC在正在進行的轉換過程結束前100 ns返回采集階段，從而實現更長的采集階段，如圖3所示。即使禁用高輸入阻抗（Z）模式，該ADC系列輸入的非線性反沖也會顯著降低，當使能高阻態模式時，其水平幾乎可以忽略不計。這減輕了ADC驅動器的建立時間負擔，并允許在大R下實現較低的RC截止，這意味著也可以容忍更高的噪聲和/或更低的功率/帶寬放大器。這允許根據目標信號帶寬而不是開關電容輸入的建立要求來選擇ADC前面的放大器和RC濾波器。RC濾波器中可以使用較大的R值和相應的較小C值，從而減少了放大器穩定性問題，而不會顯著影響失真性能。較大的R值有助于保護ADC輸入免受過壓情況的影響，從而降低放大器中的動態功耗。較長采集階段的另一個好處是，它可實現低SPI時鐘速率，以降低輸入/輸出功耗，拓寬處理器/FPGA的替代方案，并在不影響ADC吞吐量的情況下簡化數字隔離要求。

高阻態模式

AD4000 ADC系列集成高阻態模式，當電容DAC在采集開始時切換回輸入端時，可降低非線性電荷反沖。啟用高阻態模式時，電容DAC在轉換結束時充電，以保持先前采樣的電壓。此過程可減少轉換過程中的任何非線性電荷效應，影響在下一個采樣之前在ADC輸入端采集的電壓。高阻態模式的優點是無需專用的高速ADC驅動器，并擴大了低功耗/帶寬精密放大器的選擇范圍，包括用于低頻（<10 kHz）或直流型信號的JFET和儀表放大器。

圖4顯示了使能/禁用高阻態模式時AD4003/AD4007/AD4011的輸入電流。低輸入電流使ADC比市場上的傳統SAR ADC更容易驅動，即使禁用了高阻態模式也是如此。如果將圖4中禁用高阻態模式的輸入電流與上一代AD7982 ADC的輸入電流進行比較，AD4007在4 MSPS時將輸入電流降低了1×。當啟用高阻態模式時，輸入電流進一步減小到亞微安范圍。

由于該ADC系列的輸入電流減小，因此能夠以比傳統SAR高得多的源阻抗驅動。這意味著RC濾波器中的電阻值可以比傳統SAR設計大10倍。

圖4.AD4003/AD4007/AD4011 ADC輸入電流與輸入差分電壓的關系，高阻態使能/禁用。

精密放大器直接驅動AD4000 ADC系列

對于大多數系統，前端（而非ADC本身）通常會限制信號鏈可實現的整體AC/DC性能。從圖5和圖6中所選精密放大器的數據手冊中可以明顯看出，在特定輸入頻率下，其自身的噪聲和失真性能在SNR和THD規格中占主導地位。但是，該ADC系列具有高阻態模式，允許擴展驅動器放大器的選擇范圍，包括信號調理級中使用的精密放大器，同時在RC濾波器選擇方面具有更大的靈活性，同時仍能為所選放大器實現最佳性能。

圖5和圖6顯示了使用低功耗ADA4003-4020時AD4692/AD2 ADC的SNR和THD性能靜態= 180 μA/放大器），低輸入偏置 JFET ADA4610-1 （I靜態= 1.5 mA/放大器）和零交越失真ADA4500-2 （I靜態= 1.55 mA/放大器）精密放大器，當在具有各種RC濾波器值的高阻態使能/禁用情況下，使用1 V基準電壓源以全吞吐量驅動ADC輸入時。ADA5-4692和ADA2-4610放大器可實現高于1 dB的典型SNR，并啟用高阻態，可實現98 kHz和260 kHz的較低RC帶寬，這有助于在目標信號帶寬較低時消除來自上游信號鏈組件的寬帶噪聲。根據應用要求，設計人員可以選擇適當的精密放大器來驅動ADC輸入。例如，ADA498-4692軌到軌放大器更適合便攜式功耗敏感型應用，這些應用可以直接驅動該ADC系列，同時仍能實現最佳性能。

啟用高阻態模式時，即使RC帶寬低于4003.4020 MHz且大R值大于10 Ω，THD在RC濾波器截止頻率為1.3 MHz時也能保持–390 dB以上，AD104/AD4 SNR至少提高42 dB。請注意，該ADC系列可以通過利用全吞吐量進行過采樣，以在較低的RC濾波器截止頻率下實現更好的SNR性能。

圖5.使用精密放大器ADA4003-4020、ADA4692-2和ADA4610-1的AD4500/AD2 SNR與RC帶寬的關系，f在= 1 kHz， 參考電壓 = 5 V.

圖6.使用精密放大器ADA4003-4020、ADA4692-2和ADA4610-1的AD4500/AD2 THD與RC帶寬的關系，f在= 1 kHz， 參考電壓 = 5 V.

啟用高阻態時，AD4003/AD4020的典型功耗為2 mW/MSPS至2.5 mW/MSPS，但仍明顯低于使用ADA4807-1等專用ADC驅動器，因此可以節省PCB面積和BOM成本。系統設計人員可以使用功耗較低的5.5×ADC驅動器ADA4692-2（與ADA4807相比），當在96.2 MHz和27.4 MHz RC帶寬禁用高阻態模式時，該ADC仍能實現約47 dB的典型SINAD。啟用高阻態模式后，使用ADC驅動器時，ADC驅動器的ADC SNR/THD性能更好，而在禁用高阻態模式時，ADC SNR/THD性能和RC濾波器截止之間需要權衡。

儀表放大器直接驅動AD4000 ADC系列

儀表放大器具有出色的精密性能、共模抑制和高輸入阻抗，可直接與傳感器連接，但它們通常具有較低的小信號帶寬（<10 MHz）。使用SAR ADC和儀表放大器設計精密信號鏈（例如ATE、醫療設備）的客戶通常在信號饋送到ADC輸入之前使用信號調理或驅動器級，以實現電平轉換和反沖建立目的。

圖7所示為AD8422在使能高阻態模式下直接驅動AD4000的簡化框圖，無需驅動器級并節省電路板空間。根據目標帶寬選擇600 Ω和25 nF的優化RC濾波器值，以消除10 kHz以上的寬帶噪聲。AD8422的REF引腳偏置至V裁判使用ADA2進行/4805和緩沖，以實現優化的性能。該信號鏈在增益（由RG設置）為100（無RG）和1（RG = 1.10 kΩ）的2 Hz和2 kHz輸入信號提供最佳SNR和THD性能。圖8和圖9顯示，啟用高阻態時，ADC可實現高于91 dB的SNR和高于–96 dB的THD，增益為1和10，每個吞吐量為100 Hz，最高可達2 MSPS。如圖8和圖9所示，隨著ADC吞吐量的降低，SNR和THD略有好轉，從而提供了更長的采集時間來建立輸入反沖。

圖7.AD8422 （G = 1） 儀表放大器直接驅動精密SAR ADC的簡化框圖。

圖8.AD4000 SNR 與吞吐量的關系，AD8422 配置為增益 = 1 和 10，使能高阻態。

圖9.AD4000 THD 與吞吐量的關系，AD8422 配置為增益 = 1 和 10，高阻態啟用。

結論

表1顯示了AD4000系列引腳兼容的低功耗16/18/20位精密SAR ADC，提供不同的速度和輸入類型，兼具易用性和精密性能，使設計人員能夠解決系統級技術挑戰。

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AD4000 ADC系列具有高阻態模式、更低的輸入電流和更長的采集階段的獨特組合，便于驅動，并幫助設計人員省去專用的高速ADC驅動器級，這有助于節省PCB面積、功耗和BOM成本，并拓寬ADC驅動器的選擇范圍。此外，這些特性允許設計人員根據目標帶寬優化RC濾波器值，從而減輕對寬帶噪聲、放大器穩定性、ADC輸入保護和動態功耗的擔憂。本文闡述了精密放大器的各種用例，包括直接驅動該ADC系列輸入的儀表放大器，并闡明了該系列如何幫助解決常見的系統級問題，而不會顯著影響精密性能。

審核編輯：郭婷