在16位、100kSPS数据采集系统中实现低功耗和高性能

电路功能与优势

大多数系统中，需要在性能与低功耗之间进行权衡。本电路设计的重点是考察部分权衡因素，同时在16位、100 kSPS数据采集系统中实现低功耗（8 mW，典型值）和高性能。

本电路使用 AD7988-1低功耗（350 μA） PulSAR®模数转换器（ADC），该器件直接从ADA4841-1 高性能、低电压、低功耗运算放大器驱动。选择该放大器是因为它具有极佳的动态性能，可采用单电源电压供电且提供轨到轨输出。此外，输入共模电压范围包括负供电轨。

AD7988-1 ADC需要2.4 V至5.1 V间的外部基准电压。本应用中，选择的基准电压是ADR4525 精密2.5 V基准电压源。

 

图1. 基本单端、低电压、低功耗、16位、100 kSPS ADC解决方案

电路描述

本电路的核心是 AD7988-1 16位、100 kSPS逐次逼近型ADC，采用VDD单电源供电。它内置一个低功耗、高速、16位采样ADC和一个多功能串行端口接口（SPI）。在CNV上升沿，该器件对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从0 V至REF。基准电压（REF）由外部提供，并且可以独立于电源电压（VDD）。

在为本电路笔记执行的实验中， AD7988-1 评估板与系统演示平台（SDP， EVAL-SDP-CB1Z）接口，ADC SPI兼容串行接口则连接到DSP SPORT接口。ADC SPI接口能够将几个ADC以菊花链形式连结到单三线式总线上。采用独立VIO电源引脚时，它与1.8 V、2.5 V、3 V或5 V逻辑兼容。

AD7988-1 采用10引脚MSOP或10引脚QFN （LFCSP）封装。为方便起见，该电路板采用MSOP封装。

ADC输入从 ADA4841-1单位增益稳定、低噪声和低失真、轨到轨输出放大器进行缓冲和驱动，该器件通常在1.1 mA的静态电流下工作。此放大器提供2.1 nV/√Hz的低宽带电压噪声和1.4 pA/√Hz的电流噪声，100 kHz时具有极佳的−105 dBc无杂散动态范围（SFDR）。为了在更低频率下保持低噪声环境，10 Hz时放大器具有7 nV/√Hz和13 pA/√Hz的低1/f噪声。

使 ADA4841-1非常适合单电源应用的主要特性是，它在该应用中可以采用单供电轨供电，同时将可负供电轨接地。放大器输出摆幅可以达到地电平的50 mV范围内，这是本应用可接受的值。请注意，输入共模电压范围从负供电轨扩展至正供电轨的1 V范围内。为容纳目标信号范围（0 V至2.5 V），必须提供1 V裕量；因此本电路中使用4 V供电轨。ADA4841-1 采用6引脚SOT-23或8引脚SOIC封装。

本应用中使用的2.5 V基准电压源是 ADR4525 ，属于 ADR45xx 基准电压源系列，可以提供高精度、低功耗、低噪声，且具有±0.01%初始精度、极佳的温度稳定性和低输出噪声。 ADR4525 的低热致输出电压迟滞和低长期输出电压漂移提高了系统性能。700 μA的最大工作电流和500 mV的低压差（最大值）使该器件最适合便携式设备。

用于本电路中的三个产品的额定工作温度范围均为−40°C至+125°C全工业温度范围。

性能预期

由于功耗在本应用中是关键，有必要分析每个元件的贡献，以确保在众多可用产品中选择适当的器件。第一步是查看三个选定器件的不同电源电流。

表1中显示了为每个贡献元件计算和测得的典型电源电流。ADC数字接口的VIO电源可以忽略不计，因此不包括在内。测得电流与计算值的比较非常有利；无源元件可能引起小差异，使电源电流略不同于典型数据手册规格。

表1. 计算和测得的电源电流贡献

使用低值基准电压时， AD7988-1 ADC的交流性能会有所下降。图2中显示了这一性能下降，其中信噪比、信纳比（SINAD）和有效位数（ENOB）均显示为基准电压的函数。请注意，对于2.5 V基准电压，预计SNR性能约为86 dB至87 dB。

 

图2. AD7988-1 ADC SNR、SINAD和ENOB与基准电压的关系

电路测量结果如图3所示。86.17 dB的SNR性能与2.5 V基准电压的预计效果相当，如上文图2所示。

图3. 在10 kHz输入音下测得的100 kSPS采样速率的交流性能，SNR = 86.17 dB

常见变化

PulSAR®系列的其它引脚兼容16位ADC提供更高的采样速率： AD7988-5 （500 kSPS）、AD7980 （1 MSPS）和 AD7983 （1.33 MSPS）。请注意，采样速率越高，功耗越高。或者，如果需要更高的分辨率，合适的引脚兼容器件有 AD7691 （18位，250 kSPS）、AD7690 （18-bit， 400 kSPS）， AD7982 （18位，1 MSPS差分输入）、 AD7984 （18位，1.33 MSPS）。

对于更高的输入电压范围，请为基准电压源和ADC驱动器选择更高的基准电压和更高的电压供电轨。

图4中显示了 AD7988-5 （16位，500 kSPS）ADC在相似条件下的动态性能；不过采样速率为500 kSPS。SNR等于86.37dB。

使用500 kSPS AD7988-5 ADC在10 kHz输入音下测得的500 kSPS采样速率的交流性能，SNR = 86.37 dB

添加输入共模电压偏置放大器

在交流耦合应用中，输入信号必须偏置，以便使其位于ADC输入范围（2.5 V基准电压为0 V至2.5 V）的中心。图5所示电路解决了此共模信号要求。

许多放大器在此应用中可用于缓冲目的。 AD8031 是一款单电源电压反馈型放大器，具有高速性能，小信号带宽为80 MHz，压摆率为30 V/µs，建立时间为125 ns。该放大器为带容性负载的单位增益稳定型放大器，采用3.3 V单电源时功耗低于2.5 mW。 AD8031采用5引脚SOT-23、8引脚SOIC、8引脚PDIP和8引脚MSOP封装。在此电路中，AD8031 用于缓冲到达分压器的2.5 V基准电压，该分压器为 ADA4841-1的输入提供所需的1.25 V共模电压。表2中显示了缓冲器使用的额外功率。

 

图5. 增强型电路，包括共模缓冲器，用于在交流耦合应用中确定输入电压范围的中心

表2. 计算的电源电流贡献，包括VCM缓冲器（ AD8031）

 

图6. 增强型电路，包括共模和基准电压缓冲器

添加基准电压缓冲器

在不同电路共享基准电压源的应用中，可能需要缓冲基准电压以确保最佳性能。本实例中，使用 AD8032 （ AD8031 的双通道版本）非常有效，如图6所示。如果缓冲ADC基准输入，去耦值可降低至尽可能靠近该器件的10 μF陶瓷芯片电容。

图7和图8分别显示了 AD7988-1 和 AD7988-5的性能，同时使用 AD8032 放大器建立VCM电平并缓冲基准电压，如图6所示。此电路实施于 EVAL-CN0255-SDPZ 评估板上。

Figure 8. AC Performance Measured with 10 kHz Input Tone for Similar Configuration Using 500 kSPS， AD7988-5

CIRCUIT EVALUATION AND TEST

Equipment Needed （Equivalents Can Be Substituted）

EVAL-CN0255-SDPZ

System Demonstration Board （ EVAL-SDP-CB1Z）

Function generator/signal source， such as Audio Precision SYS-2522 used in these tests.

Power supply， 2.5 V and 4 V

PC with USB port， USB cable， and installed 10-lead PulSAR software

Setup and Test

The block diagram of the ac performance measurement setup is shown in Figure 9. Connect the 2.5 V and 4 V power supply to the evaluation board power terminal.

To measure the frequency response， connect the equipment as shown in Figure 9. Set the Audio Precision SYS-2522 signal generator for a 10 kHz frequency and a 2.5 V p-p sine wave with a 1.25 V dc offset. Record the data using the evaluation board software.

The software analysis is part of the evaluation board software that allows the user to capture and analyze ac and dc performance.

 

Figure 9. Circuit Test Setup for Measuring AC Performance