ADI實驗室電路:超低功耗數據采集系統

電路功能與優勢

圖1中的電路是超低功耗數據采集系統，使用了 AD7091R 12位、1 MSPS SAR ADC和 AD8031 運算放大器驅動器，電路的總功耗低于5 mW，采用3 V單電源供電。

所選器件的低功耗和小封裝尺寸使得這種組合成為業界領先的便攜式電池供電系統解決方案，在這種系統中功耗、成本和尺寸極為關鍵。

當VDD引腳為3 V時， AD7091R的電源電流典型值僅為350μA，遠低于目前市場上的任何ADC競爭產品。這意味著典型功耗約為1 mW。

AD8031僅需800μA的電源電流，電源電壓為3 V時的典型功耗為2.4 mW，在10 kHz模擬輸入信號下以1 MSPS的速率進行采樣時，系統總功耗低于5 mW。

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圖1. 集成驅動器的12位、1 MSPS低功耗ADC（原理示意圖：未顯示所有連接）

電路描述

針對模擬信號，大多數SAR ADC需要合適的輸入緩沖器以獲得最佳性能。當內部采樣保持開關從保持切換到采樣時，緩沖器可將信號源與ADC輸入產生的瞬變相互隔離。驅動ADC的緩沖器必須從該瞬變中恢復，并在ADC采集時間之內建立至所需精度。這在信號源具有高阻抗，并且低失真和高信噪比極為關鍵的應用中尤為重要。因此，選擇合適的緩沖器運算放大器便成為該設計中極為重要的一個環節。

AD7091R是一款12位、快速、超低功耗、單電源供電ADC，集成2.5 V內部基準電壓源。該器件可采用2.7V至5.25V電源供電。AD7091R的吞吐速率可達1MSPS。當輸入信號為10kHz、采樣速率為1MSPS時，該器件的總功耗約為2.3 mW。

在無需1MSPS采樣頻率的應用中，這一數字將下降，因為AD7091R的功耗與吞吐速率成正比，如表1所示。

可通過降低轉換器的吞吐速率而進一步降低功耗。表1顯示當電源為3 V且器件工作在普通模式下，AD7091R的典型功耗與吞吐速率的關系。

表1表示激活關斷模式后可減少的功耗。當 AD7091R工作在較低的吞吐速率時，關斷模式對于大幅度降低電源需求極為有效。

AD7091R采用小型3 mm×2 mm、10引腳LFCSP或3 mm ×5 mm、10引腳MSOP封裝。兩款封裝與同類競爭解決方案相比，大幅度節省了空間。

AD8031是一款低功耗軌到軌輸入/輸出運算放大器，是非常適合 AD7091R的驅動放大器。 AD8031采用2.7V至1 V電源供電，支持通過一個供電軌驅動兩個IC。AD8031帶寬為80MHz，壓擺率為30V/μs，達到0.1%精度的建立時間為125 ns。

當采用單電源工作時，AD8031的輸出可達負供電軌的20mV以內。若需要0V輸入下的線性度，則AD8031需要一個額外的負電源（參考指南MT-035）。

圖1顯示了簡化電路圖。使用100 nF和10μF陶瓷電容可對IC電源引腳實現良好的接地去耦。將這些電容放置于盡可能靠近兩個IC的電源引腳的位置。

切記，該ADC的模擬輸入信號不能超過供電軌300 mV以上。如果信號超過此電平，內部ESD保護二極管將呈正偏，并開始向基板內傳導電流。二極管的最大導通電流為10 mA，該電流以下不會導致不可恢復的器件損壞?？赏ㄟ^在VIN和AD7091R的電源供電軌之間連接一對肖特基二極管達到保護的作用，如 指南MT-036中所描述。

AD7091R集成了一個內部2.5 V基準電壓。針對REFIN/REFOUT引腳的良好去耦可達到指定的性能。REFIN/REFOUT電容的典型值為2.2μF。注意可通過外部加載內部基準電壓。若使用了外部基準電壓，則該電壓范圍必須為2.7V至VDD，并且必須連接REFIN/REFOUT引腳。調節器旁路（REGCAP）去耦電容的典型值為1μF。

施加于VDRIVE輸入的電壓控制串行接口的邏輯電平電壓。將該引腳連接至邏輯系列的電源電壓，該電源電壓與AD7091R數字輸出相連?？蓪DRIVE設為1.8 V至VDD范圍內的值。VDRIVE去耦電容的典型值為100nF，與10μF并聯。若需忙碌指示功能，可在VDRIVE和SDO引腳之間連接一個100kΩ的上拉電阻。

用于緩沖AD7091R模擬輸入的AD8031被配置成一個單位增益緩沖器。在運算放大器的輸出級后面連接一個單極點RC濾波器，以降低帶外噪聲。RC濾波器的截止頻率設為660kHz。然而，根據系統吞吐速率的要求，該參數可能有所不同。對于AD7091R未工作在最大吞吐速率下的系統，可降低濾波器的截止頻率。取決于模擬信號的輸入幅度和失調，可將AD8031運算放大器配置成提供增益、衰減和電平轉換，以匹配ADC模擬輸入范圍的輸入信號擺幅。

表1. AD7091R在3 V、普通模式下的典型功耗與吞吐速率的關系

注意，采樣時轉換開始脈沖寬度 = 20 ns，VDD =VDRIVE = 3 V.

圖2和圖3表示電路的積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）曲線。注意INL和DNL低于±1 LSB。

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圖2. 采樣速率為1 MSPS時的INL

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圖3. 采樣速率為1 MSPS時的DNL

圖4表示針對8192個樣本計算的FFT數據；采樣速率為1MSPS，模擬輸入頻率為10 kHz。SNR為70.44 dBFS。

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圖4. 系統的FFT，輸入=10 kHz，采樣頻率=1 MSPS

該電路必須構建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板（PCB）上。為實現最佳性能，必須采用適當的布局、接地和去耦技術。

根據應用和傳感器的具體要求，可以更改AD7091R和AD8031周圍的器件值。例如，可配置緩沖器以提供增益和失調，并且RC濾波器的截止頻率可根據采樣頻率和輸入頻率而變化。