低功耗、精密运算放大器简化多路复用ADC的驱动

Guy Hoover

缓冲现代16位/18位模数转换器（ADC）所需的高速运算放大器通常消耗与ADC本身一样多的功率，最大失调规格通常约为1mV，远高于ADC。如果需要多个多通道ADC，功耗会迅速上升到不可接受的水平。

本文介绍的简单缓冲器能够驱动 LTC2372-18 8 通道 ADC，并在涉及的输入信号在 DC 至 1kHz 范围内，以极低的功耗实现接近数据手册的 SNR、THD 和失调性能。

电路说明

LTC®2372-18 是一款低噪声、500ksps、8 通道 18 位逐次逼近寄存器 （SAR） ADC。LTC5-2372 采用单 18V 电源运作，实现了 –110dB THD （典型值）、100dB （全差分）/95dB （伪差分） SNR （典型值），失调为 ±11LSB （最大值），而耗散仅 27mW （典型值）。

LT®6016 是一款双通道轨至轨输入运放，其输入失调电压小于 50μV （最大值），每个放大器仅吸收 315μA （典型值）。它还提供单通道和四通道 （LT6015 / LT6017）。

图 1 所示电路示出了配置为同相缓冲器的 LT6016 运放，用于驱动 LTC2372-18 的模拟输入。每个运算放大器的典型功耗仅为3.7mW。对于所有八个通道，功耗仅为30mW，与ADC的功耗大致相同。LT6016 采用单 5.25V 电源运行并启用 ADC 的数字增益压缩模式可将总运放功耗降低一半以上，达到 13mW，但代价是 SNR 略有下降。

图1.LT6016 缓冲器驱动 LTC2372-18 8 通道 SAR ADC

缓冲器输出端的 RC 滤波器最大限度地减小了 LT6016 的噪声贡献，并降低了由多路复用器和输入采样电容器引起的采样瞬态的影响。

电路性能

图 2 示出了由图 32768 电路全差分驱动的 LTC2372-18 的 1 点 FFT。在 114ksps 时，THD 为 –98dB，SNR 为 5.400dBFS，与 LTC2372-18 的典型规格相比相当。

图2.图32768电路的1点FFT

图 3 示出了 LTC2372-18 的伪差分和全差分模式在数字增益压缩关闭和接通的情况下的 SNR 与采样速率的关系。在数字增益压缩关断的情况下，LT6016 的电源电压为 +8V/–3.6V。在数字增益压缩接通的情况下，LT6016 采用单 5V 电源运行。SNR 在数字增益压缩关闭时保持在 94dBFS（伪差分）/98.5dBFS（全差分）和数字增益压缩开启时的 92.1dBFS（伪差分）/96.6dBFS（全差分）相当平坦，所有模式均高达 500ksps。

图3.伪差分和全差分模式下图1所示电路的SNR与采样速率的关系

图 4 示出了 LTC2372-18 的伪差分和全差分模式在数字增益压缩关闭和打开的情况下的 THD 与采样速率的关系。在这里，对于伪差分模式，THD在110ksps时开始上升到–300dB以上，对于全差分模式，THD在115ksps时开始上升到–400dB以上。数字增益压缩对THD性能的影响很小。在全差分模式下，THD 绝不会低于 –100dB，直至达到 LTC500-2372 的全 18ksps 采样速率。

图4.图1电路的伪差分、全差分THD与采样速率的关系，带和不带增益压缩

图5显示了在数字增益压缩关闭的情况下伪差分模式下缓冲器和ADC的耦合失调误差与采样速率的关系。偏移最初小于3LSB，并且在采样速率达到400ksps之前不会降低。

图5.伪差分模式下图1所示电路的失调误差与采样速率的关系

图6显示了400ksps采样率下的失真与输入频率的关系。高于1kHz时，所有模式的失真都会上升。

图6.图1电路的失真与输入频率的关系

结论

演示了 LTC2372-18 18 位、500ksps、8 通道 SAR ADC 的简单驱动器 — 由配置为同相缓冲器的 LT6016 低功率精准双通道运放组成。每个运算放大器的功耗仅为3.7mW （典型值），在数字增益压缩模式下，ADC采用单1V电源供电，可将功耗降至6.5mW。

在采样速率小于300ksps时，在增益压缩关闭的情况下，SNR测量为94dB（伪差分）/98.5dB（全差分），在数字增益压缩开启的情况下，SNR为92.1dBFS（伪差分）/96.6dBFS（全差分）;THD 测量值为 –110dB（伪差分）/–115dB（全差分），数字增益压缩关闭或打开。失调测量小于3LSB （伪差分），增益压缩关闭。在 300ksps 以上，性能逐渐下降，直至达到 LTC500-2372 的全 18ksps 采样速率。

审核编辑：郭婷