如何采用SAR转换器实现125dB的动态范围

问题：

16位SAR转换器应用在600 kSPS时是否可以达到125 dB的动态范围？

答案：

是，89 dB + 18 dB + 20dB≥125dB。

简介

对于需要高动态范围的应用，Σ-Δ转换器经常使用。这些应用主要可以在化学分析，医疗保健和体重管理领域找到。但是，许多这些模块无法快速转换。图1中的电路描述了一种将高动态范围与高转换速率相结合的方法。

图1中的电路显示了一个具有2.5 MSPS和上游可编程的16位SAR转换器仪表放大器，将增益设置为1或100.通过FPGA中的过采样和数字信号处理，该电路可实现大于125 dB的动态范围，并且仍然非常安静。高动态范围是通过AD8253的自动切换和过采样实现的，其中信号的采样速率远高于奈奎斯特频率。根据经验，采样频率加倍可在原始信号带宽下将信噪比（SNR）提高约3 dB。在图1所示的电路中，仍然在FPGA中应用数字滤波，以消除高于感兴趣的信号带宽的噪声。原理如图2所示。

为了达到最大动态范围，在输入端使用仪表放大器将极低信号放大100倍。有关噪声的几点考虑因素在以下内容：

对于> 126 dB动态范围的要求，输出3 V（6 V pp）输入信号时的最大噪声电平为1μVrms。 AD7985是一款16位SAR转换器，具有2.5 MSPS的特性。如果它以600 kSPS（低功率损耗11 mW）和过采样72运行，则产生大约8 kSPS的采样率，因此带宽为4 kHz。从这些条件，产生最大15.8nV /√Hz的噪声密度（ND）。该值对于选择正确的仪表放大器很重要。 ADC通常具有89 dB的SNR，而过采样72分钟则额外增加18 dB，因此仍需要大约20 dB才能达到126 dB的目标，这是仪表放大器的任务。 AD8253的增益为100时，其值为11 nV /√Hz。以下AD8021用作ADC驱动器和电平调节，增加了2.1 nV /√Hz的噪声。

模拟信号链由参考电压ADR439（或REF194）以及ADA4004-2作为参考缓冲器和驱动器完成，用于产生偏移电压。

除了组件中的模拟路径，FPGA（或处理器）对电路性能很重要。关键任务是将仪表放大器的增益从1切换到100.为此，编程了许多阈值以确保ADC不饱和。因此，AD8253在输入电压高达约20 mV时的增益为100，这使得ADC输入端的最大电压为2.0 V.然后FPGA将AD8253的增益降低到1，没有延迟，以防止过驱动（见图3）。

电路的变化可以与其他ADC（如AD7980）一起工作（16 -bit，1 MSPS），AD7982（18位，1 MSPS）或AD7986（18位，2 MSPS）。同样，代替增益为1,10,100和1000的AD8253，可以使用仪表放大器，例如具有较低范围的AD8251（增益为1,2,4和8）。也可以选择参考电压。

　　除模拟路径中的组件外，FPGA（或处理器）对电路性能也很重要。关键任务是将仪表放大器的增益从1切换为100。为此，对许多阈值进行了编程以确保ADC不饱和。因此，AD8253在输入电压高达20 mV左右时以100为增益运行，这使得ADC输入端的最大电压达2.0 V。然后，FPGA将AD8253的增益降至1且没有延迟，以防止过载（见图3）。

　　

　　图3.增益开关示例。

　　电路的变化可通过AD7980（16位、1 MSPS）、AD7982（18位、1 MSPS）或AD7986（18位、2 MSPS）等其他ADC操作。同样，不使用增益为1、10、100和1000的AD8253，而改用具有较低范围的AD8251等仪表放大器（增益为1、2、4和8）。基准电压的选择也可能会改变。

　　完整开发系统可在analog.com/CN0260上找到。

　　Thomas Tzscheetzsch

　　Thomas Tzscheetzsch ［[e-mail]］于2010年加入ADI公司，担任高级现场应用工程师。2010年至2012年，他负责支持德国中部地区的客户群，自2012年以来，他任职于关键客户团队，为关键客户提供支持服务。2017年重组后，他负责中欧国家IHC市场的FAE团队，担任FAE经理。

　　在职业生涯的最初阶段，他于1992年至1998年在一家机械制造公司任电子工程师兼部门负责人。在哥廷根应用科学大学完成电气工程学习后，他任职于Max Planck研究院从事太阳能系统研究工作，担任硬件设计工程师。2004年至2010年，他任职于ADI公司产品经销商的现场应用工程师。