作者：Maithil Pachchigar 和 Alan Walsh

許多應用需要精密數據采集信號鏈，以便將模擬數據數字化，以便準確收集和處理。精密系統設計人員不斷尋求創新方法來提高性能和降低功耗，同時在較小的PCB尺寸中適應更高的電路密度。本文討論在設計精密數據采集信號鏈時遇到的常見痛點，以及如何使用下一代16/18位、2 MSPS、精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC解決這些問題。AD4000/AD4003（16位/18位）ADC采用ADI公司的先進技術設計，具有易用性特性，具有多種系統級優勢，有助于降低信號鏈功耗，降低信號鏈復雜性，實現更高的通道密度，同時提高性能水平。本文將重點介紹數據采集子系統的性能和設計挑戰，并解釋該ADC系列如何在多個終端市場中產生應用級影響。

常見信號鏈設計痛點

圖1顯示了用于構建精密數據采集系統的典型信號鏈。需要精密數據采集系統的應用，如自動化測試設備、機器自動化、工業和醫療儀器，具有通常被認為在技術上相互沖突的共同趨勢。例如，系統設計人員被迫在性能上做出權衡，以保持緊張的系統功率預算或電路板上的小面積，以實現高通道密度。這些精密數據采集信號鏈的系統設計人員在驅動SAR ADC輸入、保護ADC輸入免受過壓事件的影響、使用單電源降低系統功耗以及使用低功耗微控制器和/或數字隔離器實現更高的系統吞吐量方面面臨著共同的挑戰。

圖1.典型精密數據采集信號鏈。

由于開關電容輸入，驅動高分辨率精密SAR ADC傳統上一直是一個棘手的問題。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。

在電池供電儀器儀表等功耗敏感型應用中，通常需要使用單個低壓電源運行系統。這最大限度地減少了電路的功耗，但引入了放大器前端的裕量和裕量問題。這意味著可能無法使用完整的ADC輸入范圍，因為驅動放大器無法一直驅動到地或一直驅動到ADC輸入范圍的上限，從而降低了整個系統的性能。這可以通過提高電源電壓來彌補，但代價是功耗更高，或者接受系統的較低動態范圍性能。

大多數ADC模擬輸入IN+和IN?除ESD保護二極管外沒有過壓保護電路。在放大器軌大于 V 的應用中裁判小于地電位時，輸出可能會超出器件的輸入電壓范圍。在過壓事件期間，模擬輸入（IN+或IN?）引腳與REF之間的ESD保護二極管正向偏置并將輸入引腳短路至REF，從而可能使基準電壓源過載，導致器件損壞，或干擾多個ADC之間共享的基準電壓源。這導致必須在ADC輸入端添加肖特基二極管等保護電路，以防止過壓條件損害ADC。不幸的是，肖特基二極管可能會因漏電流而增加失真和其他誤差。

精密應用在與ADC接口的處理器方面有不同的需求。出于安全原因，某些應用需要進行電氣隔離，并在ADC和處理器之間使用數字隔離器來實現這一點。處理器的選擇或隔離需求限制了用于連接ADC的數字接口的效率。通常，低端處理器/FPGA或低功耗微控制器具有相對較低的串行時鐘速率。這可能導致ADC的吞吐量低于預期，因為在時鐘輸出轉換結果之前，ADC轉換時間延遲較長。數字隔離器還會限制隔離柵上可實現的最大串行時鐘速率，因為隔離器中的傳播延遲限制了ADC的吞吐量。在這些情況下，ADC能夠在不顯著提高串行時鐘速率的情況下實現更高的吞吐速率是可取的。

AD4000/AD4003精密SAR ADC系列解決常見設計挑戰

AD4000/AD4003系列是一款基于SAR架構的快速、低功耗、單電源、16/18位精密ADC。

AD4000/AD4003精密ADC系列獨特地將高性能與易用性特性相結合，可降低系統復雜性，簡化信號鏈BOM，并顯著縮短上市時間（見圖2）。該系列使設計人員能夠解決其高精度數據采集系統的系統級技術挑戰，而無需做出重大權衡。例如，AD4000/AD4003 ADC系列的長采集相位、高輸入阻抗（Z）模式和跨度壓縮模式的組合減少了與ADC驅動器級相關的設計挑戰，提高了ADC驅動器選擇的靈活性。這樣可以降低整體系統功耗、提高密度并縮短客戶設計周期時間。大多數易用性功能可以通過SPI接口寫入配置寄存器來啟用/禁用。請注意，AD4000/AD4003 ADC系列與10引腳AD798x/AD769x ADC系列引腳兼容。

圖2.AD4000/AD4003 ADC的主要優勢

AD4000/AD4003 ADC易用性特性

長采集階段

AD4000/AD4003 ADC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。SAR ADC周期時間由轉換和采集階段組成。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輸入建立到正確的電壓。較長的采集階段降低了驅動放大器的建立要求，并允許較低的RC濾波器截止頻率，這意味著可以容忍更高的噪聲和/或更低的功率/帶寬放大器。RC濾波器中可以使用較大的R值，相應的C值較小，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。它還降低了放大器的動態功耗。

高輸入阻抗模式

為了實現高分辨率精密SAR ADC的最佳數據手冊性能，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。高阻態模式的優點是低輸入電流，適用于慢速 （<10 kHz） 或直流型信號，并在高達 100 kHz 的輸入頻率范圍內改善失真 （THD） 性能。

AD4000/AD4003 ADC集成高阻態模式，當電容DAC在采集開始時切換回輸入時，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。

圖3顯示了使能/禁用高阻態模式時AD4000/AD4003 ADC的輸入電流。低輸入電流使得該ADC比市場上現有的傳統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3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，則AD4003在1 MSPS時將輸入電流降低了4×。當啟用高阻態模式時，輸入電流進一步減小到亞微安范圍。對于高于 100 kHz 的輸入頻率或多路復用輸入時，應禁用高阻模式。

AD4000/AD4003 ADC的輸入電流降低，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×。

圖3.AD4003 ADC輸入電流與輸入差分電壓的關系，高阻態使能/禁用。

如圖4所示，AD4000/AD4003 ADC允許選擇具有較低RC濾波器截止頻率的低功耗/帶寬精密放大器來驅動ADC，無需專用高速ADC驅動器，從而在精密、低帶寬應用（信號帶寬<10 kHz）中節省系統功耗、尺寸和成本。最終，AD4000/AD4003允許根據目標信號帶寬而不是開關電容SAR ADC輸入的建立要求來選擇ADC前面的放大器和RC濾波器。

圖4.傳統的精密信號鏈。

圖5和圖6顯示了使用

ADA4077時AD4003 ADC

的SNR和THD性能（I靜態= 400 μA/放大器），

ADA4084

（I靜態= 600 μA/放大器）和

ADA4610

（I靜態= 1.5 mA/放大器）精密放大器，在具有各種RC濾波器值的高阻態使能/禁用情況下，以2 MSPS的全吞吐速率驅動AD4003 ADC。這些放大器的典型SNR為96 dB至99 dB，典型THD優于–110 dB，具有2.27 MHz RC帶寬和1 kHz輸入信號的高阻態。啟用高阻態模式時，即使對于大于 200 Ω 的大 R 值，THD 也高出約 10 dB。 即使在非常低的 RC 濾波器截止頻率下，SNR 也能保持接近 99 dB。

啟用高阻態時，ADC將消耗約2 mW/MSPS的額外功耗，但這仍明顯低于使用ADA4807-1等專用ADC驅動器，從而節省PCB面積和物料清單。對于大多數系統，前端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，具有高阻態模式的AD4003 ADC允許大大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，RC濾波器的選擇也更加靈活。例如，當AD4003 ADC的高阻態放大器使能并使用帶有4.42 MHz寬帶輸入濾波器的ADA4084-2驅動放大器時，SNR性能約為95 dB。使用498 kHz濾波器對ADC驅動器的噪聲進行更積極的濾波，SNR提高了3 dB，達到98 dB。AD7982 ADC在較低RC截止時SNR性能會下降，因為ADC輸入無法在較短的采集時間內建立反沖。

圖5.使用精密放大器ADA4077、ADA4084和ADA4610的SNR與RC帶寬的關系。

圖6.使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器的THD與RC帶寬的關系。

圖7（a）顯示，系統設計人員可以使用功耗較低的2.5×ADC驅動器ADA4077（與ADA4807相比），當禁用高阻態模式時，AD4003 ADC仍能實現約97 dB的SINAD（比AD7982 ADC好3 dB）。即使RC帶寬更寬（2.9 MHz），ADA4077放大器也無法直接驅動AD7982 ADC并實現最佳性能。驅動器無法在可用采集時間內建立ADC反沖，在較低的RC帶寬截止下進行主動濾波，因此ADC SINAD性能下降。在禁用或啟用高阻態模式時，AD4003 ADC的開關電容反沖大大降低，采集時間在1 MSPS時延長2.5×因此其SINAD性能仍明顯優于AD7982 ADC。

啟用高阻態模式后，AD4003 ADC的SINAD性能在RC濾波器截止頻率較低的情況下使用兩個ADC驅動器時會更好，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更多寬帶噪聲。如果未啟用高阻態模式，則需要在RC濾波器截止和SINAD性能之間進行權衡。

圖7.使用ADA4077和ADA4807的AD4003 ADC和AD7982 ADC放大器驅動器比較：禁用和啟用高阻態模式時SINAD與RC帶寬（FS= 1 MSPS， f在= 1 kHz）。

跨度壓縮

AD4000/AD4003 ADC具有跨度壓縮模式，非常適合只有一個正電源為SAR ADC驅動器供電的系統。它消除了ADC驅動器對負電源的需求，同時保持了ADC的全分辨率，從而節省了功耗并降低了電源設計的復雜性。如圖8所示，ADC執行數字縮放功能，將0 V至0.1 V× V的零電平代碼映射裁判和來自 V 的滿量程代碼裁判至 0.9 × V裁判.AD4000/AD4003 ADC的信噪比約為~1.9 dB（20×log（4/5）） 表示減小的輸入范圍。例如，對于采用5 V單電源供電、典型基準電壓為4.096 V的子系統，滿量程輸入范圍現在為~0.41 V至3.69 V，為驅動放大器供電提供了足夠的裕量。

圖8.AD4000/AD4003 ADC跨度壓縮操作。

過壓鉗位

在放大器軌大于 V 的應用中裁判小于地電位時，輸出可能會超出器件的輸入電壓范圍。當正輸入過量程時，電流通過D1流入REF（見圖9），干擾基準電壓源。更糟糕的是，它可能會將基準電壓源拉到絕對最大基準值以上，從而損壞零件。

當模擬輸入超過基準電壓~400 mV時，AD4000/AD4003 ADC的內部箝位電路將導通，電流將通過箝位流入地，從而防止輸入進一步上升并可能損壞器件。

圖9.AD4003 ADC等效模擬輸入電路

如圖9所示，AD4000/AD4003 ADC的內部過壓箝位電路具有較大的外部電阻（R內線 = 200 Ω）消除了對外部保護二極管的需求（因此需要額外的電路板空間）。箝位在D1之前導通，可吸收高達50 mA的電流。箝位通過將輸入電壓箝位到安全工作范圍來防止器件損壞，并避免基準電壓源的干擾，這對于在多個ADC之間共享基準電壓源的系統尤為重要。

高效的數字接口

AD4000/AD4003 ADC具有靈活的數字串行接口，提供七種不同的模式和寄存器可編程性。其睿頻模式允許用戶在ADC仍在轉換時開始輸出先前的轉換結果，如圖10所示。短轉換時間和睿頻模式的組合允許較低的SPI時鐘速率并簡化隔離解決方案，從而降低數字隔離器的延遲要求，并擴大處理器的選擇范圍，包括低端處理器/FPGA或具有相對較低串行時鐘速率的低功耗微控制器。例如，當工作速率為1 MSPS時，AD4003 ADC的SPI時鐘速率可能比AD7982 ADC慢2.5×（25 MHz vs. 66 MHz）。用戶可以寫/回讀寄存器位，以啟用AD4000/AD4003 ADC的易用性特性，并且可以在轉換結果后附加一個6位狀態字，允許診斷和寄存器回讀。串行接口的額定電壓低至1.8 V邏輯電平，可在這些條件下實現完整的2 MSPS吞吐量。在啟用睿頻模式的情況下，AD4003 ADC以2 MSPS運行，最小SCK速率要求為75 MHz。

圖 10.AD4003 ADC的睿頻模式工作。

AD4000/AD4003 模數轉換器性能

AD4000/AD4003 ADC采用1.8 V電源供電，在2 MSPS時典型功耗為14 mW/16 mW，具有±1.0 LSB （±3.8 ppm）的出色線性度，并保證18位無失碼。圖11顯示了AD4003 ADC的典型INL性能與代碼性能的關系。AD4003 ADC在高達奈奎斯特的寬輸入頻率范圍內實現了比AD7982 ADC更好的SINAD性能（圖12），使系統設計人員能夠開發更寬帶寬、更高精度的儀器儀表設備。AD4000/AD4003 ADC采用小尺寸10引腳封裝（3 mm×3 mm，LFCSP和3 mm × 5 mm，MSOP選項），引腳兼容AD798x/AD769x ADC系列。

圖 11.AD4003 ADC INL與代碼

圖 12.AD4003 ADC 與 AD7982 ADC SINAD 與輸入頻率的關系

AD4000/AD4003 ADC在每個轉換階段結束時自動關斷;因此，其功耗與吞吐量成線性關系，如圖 13 所示。此功能使該器件非常適合低采樣率（甚至低至幾赫茲）以及電池供電的便攜式和可穿戴系統。即使在低占空比應用中，第一個轉換結果也始終有效。

圖 13.AD4003 ADC功耗與吞吐量的關系

系統應用

AD4000/AD4003 ADC系列兼具易用性、高性能、小尺寸和低功耗，是許多精密控制和測量系統應用的理想解決方案。AD4000/AD4003 ADC降低了測量不確定性，提高了可重復性，實現了高通道密度，并提高了自動化測試設備、自動化機器控制設備和醫療成像設備的吞吐效率。該ADC非常適合需要更高頻率性能以捕獲快速瞬變和飛行時間信息的系統，例如功率分析儀和質譜儀應用。

結論

AD4000/AD4003 ADC系列使設計人員能夠解決其高精度數據采集系統的系統級技術挑戰，而無需做出重大權衡，從而縮短了系統總設計時間。AD4000/AD4003 ADC的高性能提高了測量精度，其小尺寸與低系統級熱耗散相結合，可實現更高的密度。

審核編輯：郭婷