作者：Thomas Tzscheetzsch

16位SAR轉換器應用能否在600 kSPS時達到125 dB的動態范圍？

答案：能，89 dB + 18 dB + 20 dB ≥ 125 dB。

簡介

對于需要高動態范圍的應用，通常使用∑-Δ轉換器。這些應用主要可以在化學分析、醫療保健和體重管理領域找到。但是，其中許多模塊無法快速轉換。圖1中的電路描述了一種將高動態范圍與高轉換率相結合的方法。

圖1中的電路顯示了帶有2.5 MSPS和上游可編程儀表放大器的16位SAR轉換器，它將增益設置為1或100。通過在FPGA中進行過采樣和數字信號處理，該電路可實現大于125 dB的動態范圍，并且仍然非常安靜。高動態范圍是通過AD8253的自動切換和過采樣實現的，其中信號的采樣速率遠高于奈奎斯特頻率。根據經驗，采樣頻率加倍可在原始信號帶寬下將信噪比(SNR)提高約3 dB。在圖1所示的電路中，仍然在FPGA中應用數字濾波，以消除高于目標信號帶寬的噪聲。原理如圖2所示。

圖1. 具有自動增益調節功能的SAR轉換器。

為了獲得最大動態范圍，在輸入端使用儀表放大器將極低信號放大100倍。有關噪聲的一些注意事項如下：

對于>126 dB的動態范圍要求，在3 V (6 V p-p)輸入信號時產生的最大噪聲級為1 μV rms。AD7985是具有2.5 MSPS的16位SAR轉換器。如果它以600 kSPS（低功率損耗為11 mW）和72過采樣系數運行，則產生大約8 kSPS的采樣率，因此帶寬為4 kHz。在這些條件下，將產生最大15.8 nV/√Hz的噪聲密度(ND)。該值對于選擇正確的儀表放大器很重要。ADC通常具有89 dB的SNR，而系數為72的過采樣會額外增加18 dB，因此仍需要大約20 dB才能達到126 dB的目標，這是儀表放大器的任務。AD8253的增益為100時，其值為11 nV/√Hz。下方用作ADC驅動器和用于電平調節的AD8021又增加了2.1 nV/√Hz的噪聲。

圖2. 過采樣的增加消除了部分噪聲。

模擬信號鏈由基準電壓ADR439（或REF194）以及ADA4004-2完成，作為基準緩沖區和驅動器，用于產生偏移電壓。

除模擬路徑中的組件外，FPGA（或處理器）對電路性能也很重要。關鍵任務是將儀表放大器的增益從1切換為100。為此，對許多閾值進行了編程以確保ADC不飽和。因此，AD8253在輸入電壓高達20 mV左右時以100為增益運行，這使得ADC輸入端的最大電壓達2.0 V。然后，FPGA將AD8253的增益降至1且沒有延遲，以防止過載（見圖3）。

電路的變化可通過AD7980（16位、1 MSPS）、AD7982（18位、1 MSPS）或AD7986（18位、2 MSPS）等其他ADC操作。同樣，不使用增益為1、10、100和1000的AD8253，而改用具有較低范圍的AD8251等儀表放大器（增益為1、2、4和8）。基準電壓的選擇也可能會改變。

作者介紹

Thomas Tzscheetzsch [thomas.tzscheetzsch@analog.com]于2010年加入ADI公司，擔任高級現場應用工程師。2010年至2012年，他負責支持德國中部地區的客戶群，自2012年以來，他任職于關鍵客戶團隊，為關鍵客戶提供支持服務。2017年重組后，他負責中歐國家IHC市場的FAE團隊，擔任FAE經理。

在職業生涯的最初階段，他于1992年至1998年在一家機械制造公司任電子工程師兼部門負責人。在哥廷根應用科學大學完成電氣工程學習后，他任職于Max Planck研究院從事太陽能系統研究工作，擔任硬件設計工程師。2004年至2010年，他任職于ADI公司產品經銷商的現場應用工程師。

審核編輯：何安