用于便携式采样系统的超低功耗16位高速信号链解决方案

作者：Clarence Mayott and Clarence Mayott

LTC®2195 系列超低功率、双通道 16 位、25Msps 至 125Msps 模数转换器 （ADC） 的功耗仅为竞争产品 16 位解决方案的一半，从而延长了便携式电子产品的电池运行时间。尽管每通道仅消耗 ~1.5mW/Msps，但 LTC2195 并没有为了节省功耗而回避性能，从而在基带 （0MHz–62.5MHz，第一奈奎斯特区）产生了 76.8dB 的信噪比 （SNR） 和 90dB 的无杂散动态范围 （SFDR）。串行LVDS输出减少了路由ADC数据所需的数据线数量，同时最大限度地减少了数字反馈。

信号路径设计

LTC®2195 系列是需要 16 位性能和超低功耗以延长电池寿命的应用的理想解决方案。便携式医疗成像设备就是一个很好的例子。在许多成像应用中，来自图像传感器的信号在由ADC采样之前必须经过调理。对于此任务，选择一款与 ADC 性能相匹配的低噪声、低功耗放大器非常重要，例如 LTC6406，它非常适合 LTC2195 系列。

LTC®6406 是一款全差分放大器，具有低噪声 （输入端为 1.6nV/√Hz） 和高线性度 （+44dBm OIP3 在 20MHz） 内，采用小型 3mm × 3mm QFN 封装。外部电阻设置增益，为用户提供最大的设计灵活性。低功耗 （采用 3.3V 电源时为 59mW） 将对系统功率预算的影响降至最低。该放大器还具有一个可扩展至 0.5V 的共模电压范围，这意味着它可以与具有一个 0.9V 标称共模电压的 LTC2195 无缝配对。

通常，图像传感器的输出是单端的。这需要在ADC采样之前进行单端至差分转换。如果还需要响应直流，则不能使用变压器。这种情况需要一款能够执行单端至差分转换的低噪声放大器，如LTC6406。

放大器后面必须有一个滤波器，以降低放大器的宽带噪声，并将放大器的输出与ADC输入隔离开来——ADC输入会产生与采样电容换向相关的共模毛刺。滤波器有助于衰减这些毛刺，保护放大器。不需要高阶滤波器，因为放大器的噪声相当低。转折频率为12MHz时，此处使用的滤波器就足够了——它不会降低ADC的性能。

最终滤波器应设计为仅降低放大器的宽带噪声，而不是作为具有陡峭过渡带的选择性滤波器。滤波器中的陡峭过渡带会增加插入损耗并降低放大器的OIP3，从而导致图像传感器信号失真。图1所示电路实现了这一目标。

图1.成像应用。

结果

图2显示了该电路的性能。结果表明，在低输入频率下，放大器的线性度不会降低ADC的SFDR。信噪比也保持不变，为76.5dB。当 LTC6406 在单位增益下使用时，其 SNR 或 SFDR 不会降低其性能。

图2.图1中电路的FFT结果，其中F为FS= 125毫秒 F在= 1兆赫。

修改

对于此设计，可以进行一些权衡来更改系统的性能。首先，增益可以通过增加反馈电阻或减少源电阻来改变。通常，源电阻由传感器本身的输出阻抗设置。然后使用反馈电阻来修改放大器的增益。LTC6406 可用于根据图像传感器的输出产生衰减或增益。随着放大器增益的增加，稳定放大器所需的补偿电容量减小。在此单位增益应用中，1.8pF足以产生良好的结果。如果放大器用于衰减信号，则需要更大的电容。

图1中的低阶、低通滤波器以12MHz的截止频率衰减放大器的宽带噪声。该截止频率可以通过减小最终电容器的值来提高。由于放大器不能驱动低阻抗，并且ADC希望在其模拟输入端看到低阻抗，因此滤波器的阻抗已经过优化，以满足放大器和ADC的要求。如果需要更高阶的滤波器，则应将其放置在终驱动放大器之前，并且应在放大器级中使用更多的增益，以适应滤波器中的插入损耗。最终放大器和ADC之间需要一些滤波。即使是简单的RC低通滤波器也比将ADC直接驱动到放大器中要好。

关于 LTC2195

LTC®2195 是一款 16 位 125Msps、同步采样、双通道 ADC，采用单 1.8V 电源工作。该电路可轻松应用于该系列的14位或12位成员，或以低得多的采样速率采样的转换器。LTC2195 系列还包括具并联输出的双通道和单通道 ADC。LTC2185、2 通道 ADC 和 LTC2165 单通道 ADC 具有与 LTC2195 相同的出色 16 位性能和低功耗，但具有并行输出，可简化收集数据所需的 FPGA 代码。这些灵活的 ADC 可选择 CMOS、DDR CMOS 或 DDR LVDS 输出，具有可编程数字输出定时、可编程 LVDS 输出电流和可选的 LVDS 输出端接。LTC2185 和 LTC2165 还具有常用的随机发生器和交替位极性功能，有助于减少数字反馈。双通道 LTC2185 还提供引脚兼容的 14 位和 12 位版本，它们还为高速 ADC 提供了卓越的性能和极低的功耗。完整的系列如表1所示。

 

		25毫秒	40毫秒	65毫秒	80毫秒	105毫秒	125毫秒
单通道	7 × 7 QFN 1.8V 单路 ADC，并行输出	2160	2161	2162	2163	2164	2165
双通道	9 × 9 QFN 1.8V 双通道 ADC 并行输出	2180	2181	2182	2183	2184	2185
	7 × 8 QFN 1.8V 双通道 ADC、串行 LVDS 输出	2190	2191	2192	2193	2194	2195
Power	(mW/Ch)	40	60	80	100	155	185

 

结论

LTC®2195 是适合功耗敏感型、高分辨率传感器应用的理想 ADC，而 LTC6406 则非常适合用作驱动器放大器 — 它不会影响 LTC2195 的性能，而且其功率要求也很低。ADC的数据手册性能可以通过使用相对低阶的滤波器来降低放大器的宽带噪声，从而轻松实现。LTC2195 和 LTC6406 的配对是任何便携式图像传感器应用的理想组合，兼具卓越的性能和低功耗。

审核编辑：郭婷