CN0306 针对高达 1 kHz 低于奈奎斯特频率输入信号优化的16 位、100 kSPS 低功耗数据采集系统

CN0306 AD8641 放大器可用于驱动高速、引脚兼容型ADC，如AD7988-5 和 AD7980，但仅在不超过100 kSPS的较低采样速率下才有效。 OP1177放大器能够以双倍的电流(400 A)驱动AD7988-1，在4 kHz以下具有更佳的失真性能；并且由于噪声更低，从而信噪比(SNR)也更佳(90 dB)。 设备要求(可以用同等设备代替) 需要以下设备： EVAL-CN0306-SDPZ 评估板 系统演示板(EVAL-SDP-CB1Z) 函数发生器/信号源，例如这些测试中使用的Audio Precision SYS-2522 评估板自带的9 V壁式电源 带USB端口的PC、USB电缆，并且已安装10引脚PulSAR 软件 设置并测试 从ADI网站的AD7988-1产品页面下载10引脚PulSAR软件， 并使用UG-340用户指南中的安装指南进行安装。其测量配 置的功能框图如图5所示。 将9 V壁式电源连接至评估板电源引脚。若要测量频率响 应，设备应按图5所示进行连接。将Audio Precision SYS-2522 信号发生器设置为1 kHz频率和5 V p-p正弦波，并具有2.5 V 直流漂移。使用评估板软件记录数据。软件分析是评估板 软件的一部分，使用户可以采集并分析直流和交流性能。 该软件及其特性见UG-340用户指南。 该电路包含AD7988-1 ADC、AD8641放大器和ADR435基准电压源。AD7988-1是一款16位、100 kSPS SAR DC ，其低功耗可随采样速率调整，100 kSPS时功耗为0.7 mW。除了低功耗，它还具有业界领先的交流性能：SNR = 91 dB，THD = −114 dBc。 驱动放大器采用AD8641低功耗、精密器件，其电源电流为200 A，增益带宽积为3 MHz。AD8641可采用5 V至26 V的电源供电。ADC的基准电压源采用ADR435，这是一款高精度、低噪声、5 V XFET基准电压源。低电源电流(620 A)时，ADR435具有极低的温度系数(3 ppm/°C)。100 kSPS时，本电路的总功耗为7.35 mW。信噪比(SNR)为88.5 dBFS，总谐波失真(THD)为-103 dBc，输入频率最高为1 kHz。 AD8641配置为单位增益缓冲器，并且它与AD7988-1之间有一个截止频率为93 kHz的RC滤波器(634 ，2.7 nF) 。滤波器允许使用诸如AD8641等噪声更高的放大器，在28 nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。与ADC的规格相比，以更高的噪声换取更低功耗的代价仅是系统的信噪比(SNR)性能下降了2.5 dB。相对于数据手册中推荐的数值(20 )，更高的R值(634 )表示AD8641可以驱动2.7 nF的大容量输入电容。更高的R值可将最大输入带宽限制为1 kHz，使得失真较低。 对于最高1 kHz的输入，这与AD8641的16位失真性能(THD低于−100 dBc)差不多。超过1 kHz会加剧失真，因此不建议在更高的输入频率下使用该电路，而由于较长的建立时间，亦不建议在多路复用器应用中使用该放大器。注意，相对于正电源电压而言，AD8641需要至少2 V的输入裕量。输出级以轨到轨方式工作。 性能结果 本电路的目的是在最高1 kHz的给定输入频率范围、100 kSPS的采样速率情况下，以尽可能最低的ADC驱动器功耗水平提供良好的交流性能。图2显示1 kHz输入信号下的电路性能FFT图。信噪比(SNR)为88.5 dB，总谐波失真(THD)为−103 dB。相比91 dB的规格，AD7988-1信噪比(SNR)下降的主要原因是AD8641具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz更高的噪声，为28 nV/√Hz。总系统功耗为7.35 mW，其中：ADC为0.7 mW，放大器为2 mW，基准电压源为4.65 mW。这说明相对于ADA4841-1的12 mW，它可降低58%的功耗，总系统功耗为17.35 mW。 图2. 使用AD8641放大器驱动AD7988-1的系统电路性能   图3显示系统总谐波失真(THD)以及信噪比(SNR)如何随着输入频率超过~1 kHz而下降。这是由于放大器失真导致的，可从图4中的总谐波失真加噪声(THD+N)与频率的关系曲线看出。 图3. AD8641放大器驱动AD7988-1时，总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)与输入频率的关系   图4. AD8641放大器的总谐波失真加噪声(THD+N)与输入频率的关系   CN0306 针对高达 1 kHz 低于奈奎斯特频率输入信号优化的16 位、100 kSPS 低功耗数据采集系统 图1中的电路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模数转换器 (ADC)系统，集成驱动放大器，针对最高1 kHz输入信号和 100 kSPS采样速率、功耗低至7.35 mW的系统而优化。 通常，选择高性能逐次逼近型ADC的驱动放大器处理宽范 围的输入频率。然而，当某个应用需要更低的采样速率 时，便可节省大量功耗，因为降低采样速率会相应地降低 ADC功耗。 若要完全利用通过降低ADC采样速率使功耗下降的优势， 则需要使用低带宽、低功耗放大器。 例如，推荐80 MHz的ADA4841-1 运算放大器(10 V时功耗为 12 mW)与AD7988-1 16位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC(100 kSPS时功耗为0.7 mW)一同使用。包括ADR435 基准电压源 (7.5 V时功耗为4.65 mW)在内的总系统功耗在100 kSPS时为 17.35 mW。 对于最高1 kHz的输入带宽和100 kSPS的采样速率，AD8641 3 MHz运算放大器(10 V时功耗为2 mW)可提供出色的信噪 比(SNR)和总谐波失真(THD)性能，并且在100 kSPS时可将 总系统功耗从17.35 mW降低至7.35 mW，降幅达58%。 图1. 使用AD8641低功耗放大器驱动AD7988-1 ADC的系统电路图(原理示意图：未显示所有连接)   cn0306 CN0306 | circuit note and reference circuit info 针对高达 1 kHz 低于奈奎斯特频率输入信号优化的16 位、100 kSPS 低功耗数据采集系统 | Analog Devices 图1中的电路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模数转换器 (ADC)系统，集成驱动放大器，针对最高1 kHz输入信号和 100 kSPS采样速率、功耗低至7.35 mW的系统而优化。

这种方法对于便携式电池供电、要求低功耗的多通道应用 极为有用。它还为那些两次转换突发之间

• 16位、100kSPS SAR ADC系统
• 优化低功耗驱动放大器
• 输入信号最高可达1kHz

(analog)