超低功耗、18位、差分PULSAR ADC驅動(CN0237)

　　電路功能與優勢

　　圖1所示電路使用超低功耗、18位1 MSPS ADC AD7982 ，由低功耗全差分放大器ADA4940-1來驅動。低噪聲精密5.0V基準電壓源 ADR395用于提供該ADC所需的5V電源。圖1所示的所有IC均采用3 mm × 3 mm LFCSP或3 mm × 5 mm MSOP小型封裝，從而有助于降低電路板成本和空間。

　　電路中ADA4940-1的功耗不到9 mW。18位1 MSPS AD7982 ADC的功耗僅7 mW (1 MSPS時)，遠低于市面上的同類ADC。此功耗也隨吞吐量而變化。ADR395功耗僅為0.7mW，使系統總功耗低于17 mW。

　　圖1 ?高性能18位差分ADC驅動器(簡易原理圖：未顯示所有連接和去耦)

　　電路描述

　　諸如AD7982 18位1 MSPS PulSAR? ADC等現代高分辨率SAR ADC需要差分驅動器來實現最優性能。在這類應用場合，ADC驅動器接收差分或單端信號，并執行所需的電平轉換以在適當的電平下驅動ADC輸入端。

　　圖1顯示ADA4940-1差分放大器進行電平轉換并驅動18位AD7982差分輸入逐次逼近型PulSAR ADC。利用四個電阻，ADA4940-1既能以增益1來緩沖信號，也可放大信號獲得更大動態范圍。交流和直流性能兼容18位1 MSPS PulSAR? ADC AD7982和該系列的其它16及18位器件，采樣率最高可達2 MSPS。該電路也可接受單端輸入信號以產生相同的全差分輸出信號。

　　AD7982采用2.5 V的VDD單電源供電。它內置一個低功耗、高速、18位采樣ADC和一個多功能串行接口端口?；鶞孰妷?REF)從ADR395精密低壓差(0.3 V)帶隙基準源由外部獲得，并可獨立于電源電壓來設定。ADA4940-1具有直流耦合輸入和輸出，并視需要執行一次差分或單端轉差分轉換。它還可以緩沖驅動信號。一個單極1.8 MHz R-C(33 Ω，2.7 nF)噪聲濾波器放在運算放大器輸出和ADC輸入之間。該濾波器還可以將運算放大器輸出與內部采樣保持功能在ADC輸入端所引起的切換突波隔離開來。

　　ADA4940-1由7 V電源(+6 V和–1 V)供電，這樣對于ADC滿量程輸入必須在0V至5V之間擺動時，輸出能夠提供足夠的裕量。

　　增益由反饋電阻(R2 = R4)和增益電阻(R1 = R3)比率來設定。此外，該電路可用于進行單端或差分輸入轉差分輸出轉換。需要時，可在輸入端并聯一個端接電阻。無論輸入為單端還是差分輸入，均可如 MT-076 教程 和DiffAmpCalc?差分放大器計算器 (www.analog.com/diffampcalc)所示來計算放大器的輸入阻抗。

　　如果 R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ，單端輸入阻抗約為1.33 kΩ。外部52.3 Ω端接電阻提供一個50 Ω源端接電阻。反相輸入端的一個額外25.5 Ω(總共1025.5 Ω)可平衡驅動同相輸入的50 Ω源端接電阻的并聯阻抗(52.3 Ω || 50 Ω = 25.5 Ω)。但是，如果使用差分源輸入，則差分輸入阻抗為2 kΩ。此時，視需要使用兩個52.3 Ω端接電阻來端接每個輸入。

　　圖2 20 kHz信號、滿量程以下0.5 dB、采樣頻率為1 MSPS的FFT曲線圖(32,000點)

　　針對此電路上的測試，信號發生器產生一個10 V p-p差分輸出。為了降低噪聲，VOCM輸入被旁路，并通過外部1%電阻來設置，以便在5V基準電源下獲得最寬的輸出動態范圍。輸出共模電壓為2.5 V時，ADA4940-1各輸出的擺幅在0 V至5 V之間，相位相反，向ADC輸入端提供增益為1、10 V p-p的差分信號。FFT性能如圖2所示，歸納如下：

　　SNR = 95.06 dBFS (不含諧波)

　　SINAD = 95.03 dBFS

　　SFDR = 105.02 dBFS

　　THD = ?115.89 dBFS

　　INL和DNL性能如圖3所示。

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　　圖3 20 kHz信號、采樣頻率為1 MSPS的INL和DNL曲線圖

　　常見變化

　　經驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩定地工作，并具有良好的精度。其他模數轉換器可以取代AD7982來實現所需的最高性能。 ADA4940-1/ ADA4940-2 針對驅動16位和18位ADC而優化，性能下降少。采樣速度更快的18位ADC包括 AD7984 (1.33 MSPS)和 AD7986(2 MSPS)。差分16位ADC包括AD7688 (500 kSPS)和 AD7693 (500 kSPS)。

　　ADA4940-1/ADA4940-2軌到軌輸出可驅動至每個供電軌的±0.5 V范圍內，而交流性能不會明顯下降。諸如AD8137 和ADA4941-1 等其他差分ADC驅動器也可用來在重視速度、輸入阻抗等因素的其他應用中取代ADA4940-1。

　　電路評估與測試

　　此電路將修改后的 EVAL-AD7982SDZ PulSAR AD7982評估板連接到轉換器評估和開發板(EVAL-CED1Z)進行測試。

　　修改后的AD7982評估板可用于ADA4940-1差分ADC驅動器和ADC395基準電壓源。

　　EVAL-AD7982SDZ是一款用戶評估板，用以簡化18位AD7982 PulSAR ADC的獨立性能和功能測試。

　　EVAL-CED1Z板是一種使用ADI精密轉換器的系統評估、演示和開發平臺。它提供轉換器和PC之間所需的通信，編程或控制器件，通過USB線收發數據(如圖4和圖5所示)。

　　圖4. PulSAR ADC評估平臺

　　圖5. 測試設置功能框圖

　　設備要求

　　除了上述兩塊評估板外，ADA4940-1還需要+6 V至–1 V的外部電源。EVAL-CED1Z采用壁式電源適配器提供+7.5 V直流電壓。其他合適電壓從EVAL-CED1Z供給AD7982評估板。

　　低失真信號源Audio Precision? SYS-2702用來實現所需性能。運行PulSAR評估軟件需采用配有Windows? XP或Windows 7系統及USB端口的PC。

　　開始使用

　　按www.analog.com/EVAL-CED1Z 和 www.analog.com/AD7982_adc_EVAL-CED1Z所述步驟安裝軟件。

　　將修改后的AD7982評估板接到EVAL-CED1Z。將+7.5 V壁式電源適配器接到EVAL-CED1Z。將+6 V至?1 V的外部電源接到AD7982評估板。

　　設置與測試

　　AD7982評估板使用Audio Precision SYS-2702信號源來提供輸入信號?；?a target="_blank">LabVIEW?的PulSAR評估軟件用來控制Audio Precision輸入信號，還能監控ADC輸入和輸出。

　　如圖2、3和4所示，該軟件可采集并處理INL、DNL和FFT數據。