常見的信號鏈設計難點 精密數據采集系統技術挑戰

簡介

許多應用都要求采用精密數據采集信號鏈以數字化模擬數據， 從而實現數據的精確采集和處理。精密系統設計師面臨越來越 大的壓力，需要找到創新的辦法，提高性能、降低功耗，同時 還要在小型PCB電路板上容納更高的電路密度。本文旨在討論精 密數據采集信號鏈設計中遇到的常見難點，探討如何運用新一 代16位/18位、2 MSPS、精密逐次逼近寄存器(SAR) ADC解決這些難 點。AD4000/AD4003（16位/18位）ADC基于ADI的高級技術設計而 成，集成了多種簡單易用的特性，具有多種系統級優勢，有助 于降低信號鏈功耗，降低信號鏈復雜性，提高通道密度，同時 還能提高性能水平。本文將重點討論數據采集子系統性能和設 計挑戰，說明該ADC系列如何在多個終端市場形成應用級影響。

常見的信號鏈設計難點

圖1顯示了在構建精密數據采集系統時使用的典型信號鏈。要求 精密數據采集系統的應用（如自動化測試設備、機械自動化、工 業和醫療儀器儀表）呈現出通常被認為在技術上相沖突的共同趨 勢。例如，系統設計師被迫在性能上妥協，以維持緊張的系統功 率預算，或者在電路板上保留較小的面積以實現高通道密度。這 些精密數據采集信號鏈的系統設計師在多個方面面臨著共同的挑 戰：驅動SAR ADC輸入；保護ADC輸入以使其免受過壓事件影響； 用單電源降低系統功耗；用低功耗微控制器和/或數字隔離器實現 更高的系統吞吐量等。

圖1. 典型的精密數據采集信號鏈

受開關電容輸入結構影響，高分辨率精密SAR ADC的驅動一直是個 棘手的問題。系統設計師需要密切關注ADC驅動器數據手冊，了解 噪聲、失真、輸入/輸出電壓上裕量/下裕量、帶寬和建立時間等技 術規格。一般地，采用的高速ADC驅動器需要具備寬帶寬、低噪聲 和高功率等特征，以便在可用采集時間內建立SAR ADC輸入的開關 電容反沖。這項要求會大幅減少用于驅動ADC的可用放大器選擇， 不得不在性能/功率/面積方面進行大幅妥協。另外，選擇一款合適的RC濾波器置于驅動器與ADC輸入之間，這項要求又對放大器選擇 和性能構成了進一步的限制。ADC驅動器輸出與SAR ADC輸入之間需 要用RC濾波器來限制寬帶噪聲，減少電荷反沖的影響。一般情況 下，系統設計師需要花費大量時間去評估信號鏈，確保所選ADC驅 動器和RC濾波器能切實驅動ADC，以實現所需性能。

在功耗敏感型應用（如電池供電儀器儀表）中，通常需要用低壓 單電源來運行系統。這雖然最大限度地降低了電路的功耗，但卻 給放大器前端帶來了上裕量和下裕量問題。這意味著，可能無法 使用ADC輸入的全部范圍，因為驅動放大器無法一直驅動到地， 也無法一直驅動到ADC輸入范圍的上限，結果會降低整個系統的 性能。這種情況可以通過提高電源電壓來彌補，但其代價是會增 加功耗，或者造成系統的動態范圍性能下降。

多數ADC模擬輸入（IN+和IN?）除ESD保護二極管以外沒有過壓保 護電路。在放大器電軌大于VREF且小于地的應用中，輸出有可能 超過器件的輸入電壓范圍。在過壓事件中，兩個連接REF的模擬 輸入（IN+或IN?）引腳之間的ESD保護二極管正向偏置連接REF的輸 入引腳并使其短路，有可能使基準電壓源過載，導致器件損毀， 或者干擾在多個ADC之間共用的基準電壓源。結果就需要為ADC輸 入添加肖特基二極管一類的保護電路，避免過壓條件損害ADC。不 幸的是，肖特基二極管可能會因漏電流而增加失真及其他誤差。

精密應用在連接ADC的處理器方面有著不同的需求。出于安全考 慮，有些應用需要使用電氣隔離機制，并在ADC與處理器之間使 用數字隔離器來實現這個目的。這種處理器選擇和隔離需求對用 于連接ADC的數字接口的效率形成了限制。一般地，低端處理器/ FPGA或低功耗微控制器都擁有較低的串行時鐘速率。這可能導致 ADC的吞吐量低于預期，因為在輸出轉換結果之前存在較長的ADC 轉換延時。數字隔離器也可能限制在隔離柵上可以實現的最大串 行時鐘速率，因為隔離器中的傳播延遲會限制ADC吞吐量。在這些 情況下，最好使用既可實現更高吞吐速率，又無需大幅增加串行 時鐘速率的ADC。

AD4000/AD4003精密SAR ADC系列可以解決常見設計挑戰

AD4000/AD4003系列是基于SAR架構的快速、低功耗、單電源、16 位/18位精密ADC。

AD4000/AD4003精密ADC系列將高性能與簡單易用的特性獨特地結 合在一起，可以降低系統復雜性，簡化信號鏈BOM，并大幅縮短 上市時間（見圖2）。借助該系列，設計師可以解決精密數據采 集系統的系統級技術挑戰，并且無需做出重大折衷。例如，留給 用戶更長的采集時間、高輸入阻抗(Z)模式和跨度壓縮模式等特性 在AD4000/AD4003 ADC系列中的結合可以減少與ADC驅動器級設計 相關的挑戰，增加ADC驅動器選擇的靈活性。這樣就可以降低系統 總功耗，提高密度，縮短客戶設計周期。通過SPI接口寫入配置寄 存器，可以使能/禁用多數簡單易用的特性。注意，AD4000/AD4003 ADC系列與10引腳AD798x/AD769x ADC系列引腳兼容。

圖2. AD4000/AD4003 ADC的主要優勢

AD4000/AD4003 ADC簡單易用的特性

長采集階段
AD4000/AD4003 ADC擁有更短的轉換時間290 ns，ADC會在當前轉換 過程結束前100 ns返回采集階段。SAR ADC周期時間由轉換階段和采 集階段構成。在轉換階段，ADC電容DAC與ADC輸入斷開，以執行 SAR轉換。輸入在采集階段重新連接，ADC驅動器必須在下一個轉 換階段開始之前將輸入建立至正確的電壓。較長的采集階段可以 降低對驅動放大器的建立要求，并且允許較低的RC濾波器截止頻 率，這意味著可以使用噪聲較高且/或功率/帶寬較低的放大器。 可以在RC濾波器中使用較大的R值和較小的對應C值，減少放大器 穩定性問題，同時也不會大幅影響失真性能。較大的R值有助于在 過壓條件下保護ADC輸入；同時還能降低放大器中的動態功耗。

高輸入阻抗模式
為了達到高分辨率精密SAR ADC數據手冊中列示的最佳性能，系統 設計師通常不得不使用專用的高功率、高速放大器來驅動其精密 應用中的傳統型開關電容SAR ADC輸入。這是在精密數據采集信 號鏈設計中經常遇到的難點之一。高Z模式的優勢在于，能在慢 速(

AD4000/AD4003 ADC集成了一個高Z模式，在采集開始時，可以在 電容DAC切換回輸入時減少非線性電荷反沖。在使能高Z模式時， 電容DAC在轉換結束時充電，以保持上次采樣的電壓。這一過程 可以減少轉換過程的任何非線性電荷效應，該效應會影響到下次 采樣前在ADC輸入端采集的電壓。

圖3所示為AD4000/AD4003 ADC在高Z模式使能/禁用時的輸入電流。 低輸入電流使ADC比市場上現有的傳統SAR ADC更易驅動，即便是 在高Z模式禁用的情況下。如果將圖3中高Z模式禁用時的輸入電 流與上一代AD7982 ADC的輸入電流進行比較，則會發現，AD4003 已經將1 MSPS條件下的輸入電流降低了4倍。高Z模式使能時，輸 入電流進一步降至次微安級。在輸入頻率超過100 kHz時，或者在 多路復用輸入時，應禁用高Z模式。

借助AD4000/AD4003 ADC降低的輸入電流，就能以比傳統SAR高得 多的源阻抗來驅動。這意味著，RC濾波器中的電阻值可以比傳統 SAR設計大10倍。

圖3. 在高Z使能/禁用條件下的AD4003 ADC輸入電流與輸入差分電壓

如圖4所示，AD4000/AD4003 ADC允許用帶較低截止頻率的RC濾波 器的多種低功率/帶寬精密放大器來驅動ADC，消除了使用專用高 速ADC驅動器的必要性，并且可以降低精密低帶寬應用（信號帶 寬

圖4. 傳統精密信號鏈

圖5和圖6所示為AD4003 ADC的SNR和THD性能，其中，在使能/禁用 高Z及各種不同RC濾波器值的情況下，以2 MSPS的全速吞吐量驅 動AD4003 ADC時，使用的是ADA4077 (IQUIESCENT = 400 μA/放大器), ADA4084 (IQUIESCENT = 600 μA/放大器), and ADA4610 (IQUIESCENT = 1.5 mA/放大器) 精密放大器。在2.27 MHz RC帶寬和1 kHz輸入信號條件下使能 高Z時，這些放大器可實現96 dB至99 dB的典型SNR以及優于–110 dB 的典型THD。在使能高Z模式時，甚至在R值大于200 Ω時，THD約改 善了10 dB。即使在超低RC濾波器截止頻率條件下，最高SNR也接 近99 dB。

在使能高Z時，ADC消耗約2 mW/MSPS的額外功耗，但這仍然顯著 低于使用ADA4807-1 一類的專用ADC驅動器時的功耗，從而可以節 省PCB電路板面積和物料成本。對于多數系統，前端通常會限制 信號鏈可以實現的整體交流/直流性能。從圖5和圖6所選的精密 放大器數據手冊中可以看出，精密放大器自身的噪聲和失真性 能在某個輸入頻率下主導著SNR和THD規格。然而，帶高Z模式的 AD4003 ADC可以極大地增加驅動器放大器的選擇，包括信號調理 級中使用的精密放大器，同時還可提高RC濾波器選擇的靈活性。 例如，當AD4003 ADC的高Z使能并配合 ADA4084-2 驅動器放大器使 用一個4.42 MHz寬帶輸入濾波器時，SNR性能約為95 dB。如果用 498 kHz濾波器對ADC驅動器噪聲進行強力濾波，SNR可提升3 dB， 至98 dB。AD7982 ADC在較低RC截止頻率下的SNR性能下降是因為 該ADC輸入未在較短的采集時間內消除反沖。

圖5. 使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器時的SNR與RC帶寬

圖6. 使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器時的THD與RC帶寬

圖7(a)表明，系統設計師可以使用功率低2.5倍的ADC驅動器ADA4077 （相比ADA4807），在高Z模式禁用時，AD4003 ADC仍然能取得 約97 dB的SINAD（比AD7982 ADC高3 dB）。即使RC帶寬增加至2.9 MHz，ADA4077放大器也無法直接驅動AD7982 ADC并取得最佳性 能。如果用較低的RC帶寬截止頻率強力濾波，驅動器無法在可用 采集時間內消除ADC反沖，ADC SINAD性能因而下降。在禁用或使能 高Z模式時，AD4003 ADC的開關電容反沖大幅縮減，在1 MSPS時的 采集時間長2.5倍，因此，其SINAD性能仍然大幅優于AD7982 ADC。

在使能高Z模式時，在較低RC濾波器截止頻率下使用兩個ADC驅動 器，AD4003 ADC的SINAD性能較好，這有助于在目標信號寬帶較低 時，消除更多來自上游信號鏈組件的寬帶噪聲。在不使能高Z模式 時，RC濾波器截止頻率與SINAD性能之前存在折衷。

圖7. 使用ADA4077和ADA4807時AD4003 ADC和AD7982 ADC放大器驅動器的比較：在禁用和使能高Z模式時的SINAD與RC帶寬(FS = 1 MSPS, fIN = 1 kHz).

跨度壓縮
AD4000/AD4003 ADC集成了一個跨度壓縮模式，對僅用一個單電源 為SAR ADC驅動器供電的系統非常有用。該模式可以消除ADC驅動 器對負電源的要求，同時還能維持ADC的全分辨率，減少功耗， 降低電源設計復雜程度。如圖8所示，ADC可執行數字縮放功能， 映射從0 V至0.1 V × VREF的零電平代碼，以及從VREF至0.9 × VREF的滿量 程代碼。在減小的輸入范圍內，AD4000/AD4003 ADC的SNR約為~1.9dB (20*log(4/5))。舉例來說，對于采用5 V單電源且典型基準電壓為 4.096 V的子系統，滿量程輸入范圍為~0.41 V至3.69 V，為驅動放大 器提供了充足的裕量。

圖8. AD4000/AD4003 ADC跨度壓縮工作模式

過壓箝位
在放大器電軌大于VREF且小于地電壓的應用中，輸出可以超出器 件的輸入電壓范圍。當正輸入超過范圍時，電流通過D1流入REF （見圖9），對基準電壓源形成干擾。甚至更加糟糕的是，可能將 基準電壓源拉高至絕對最大基準值的水平，因而可能損壞器件。

當模擬輸入超過基準電壓~400 mV時，AD4000/AD4003 ADC的內部 箝位電路將開啟，電流將通過箝位流入地，防止輸入進一步升高 而可能損壞器件。

圖9. AD4003 ADC等效模擬輸入電路

如圖9所示，AD4000/AD4003 ADC的內部過壓箝位電路有一個較大的 外部電阻(REXT = 200Ω)，可以消除外部保護二極管的必要性（并由 此消除額外電路板空間的必要性）。箝位在D1之前開啟，其最大 吸電流能力為50 mA。箝位電路通過將輸入電壓箝位在安全工作 范圍中來防止器件損壞，同時避免對基準電壓源造成干擾，這對 在多個ADC之間共用基準電壓源的系統來說尤其重要。

高效數字接口
AD4000/AD4003 ADC有一個靈活的數字串行接口，有七種不同的 模式，并且具有寄存器編程能力。其Turbo模式允許用戶在ADC仍 在轉換時開始輸出上次轉換的結果，如圖10所示。短轉換時間和 Turbo模式相結合，可實現較低的SPI時鐘速率，簡化隔離解決方 案，降低數字隔離器的延遲要求，增加處理器選擇，包括低端處 理器/FPGA或者串行時鐘速率相對低的低功耗微控制器。例如， 運行于1 MSPS時，AD4003 ADC可以使用比AD7982 ADC慢2.5倍的SPI 時鐘速率（25 MHz相比于66 MHz）。用戶可以寫/讀回寄存器位， 以使能AD4000/AD4003 ADC簡單易用的特性，可以在轉換結果上附 加一個6位的狀態字，實現診斷和寄存器讀回。串行接口規格完 全支持低至1.8 V的邏輯電平，可以在這些條件下實現2 MSPS全速吞吐量。使能Turbo模式時，要在2 MSPS條件下運行AD4003 ADC， 需要的最低SCK速率為75 MHz。

圖10. AD4003 ADC的Turbo工作模式

AD4000/AD4003 ADC性能

AD4000/AD4003 ADC采用1.8 V工作電壓，在2 MSPS下的典型功耗為 14 mW/16 mW，線性度非常出色，最大值為±1.0 LSB (±3.8 ppm)， 保證18位無失碼。圖11所示為AD4003 ADC的典型INL與代碼性 能。AD4003 ADC可在高達奈奎斯特的超寬輸入頻率范圍內實現比 AD7982 ADC更出色的SINAD性能（圖12），使系統設計師能開發出 帶寬更寬、精度更高的儀器儀表設備。AD4000/AD4003 ADC采用小 型10引腳封裝（提供3 mm × 3 mm LFCSP和3 mm × 5 mm MSOP兩種 選項），與AD798x/AD769x ADC系列引腳兼容。

圖11. AD4003 ADC INL與代碼的關系

圖12. AD4003 ADC和AD7982 ADC SINAD與輸入頻率的關系

AD4000/AD4003 ADC在每個轉換階段結束時自動關斷；因此，其 功耗和吞吐量呈線性變化關系，如圖13所示。這一特性使得該器 件非常適合低采樣速率（甚至低至幾赫茲）和電池供電的便攜式 和可穿戴式系統。即使在低占空比應用中，第一個轉換結果也始 終有效。

圖13. AD4003 ADC功耗與吞吐量的關系

系統應用

AD4000/AD4003 ADC系列集簡單易用的特性、高性能、小尺寸和 低功耗等特點于一身，是諸多精密控制和測量系統應用的理想選 擇，如圖14所示。AD4000/AD4003 ADC可以降低測量不確定性，提 高可重復性，支持高通道密度，并能提高自動化測試設備、自動 化機械控制設備和醫療成像設備的吞吐效率。這款ADC非常適合 需要更高頻率性能以捕獲快速瞬變和飛行時間信息的系統，比如 功率分析儀、質譜儀等應用。

圖14. AD4000/AD4003 ADC終端系統應用

總結
借助AD4000/AD4003 ADC系列，設計師可以解決精密數據采集系統的 系統級技術挑戰，無需做出重大折衷，還能縮短整個系統的設計時 間。AD4000/AD4003 ADC的高性能可以提高測量精度，其小尺寸和低 系統級散熱則可實現更高的密度。

作者

Maithil Pachchigar

Maithil Pachchigar 是ADI公司位于美國麻薩諸塞州威明頓市的儀器儀表、航空航天與國防業務部門的應用工程師。他于2010年加入ADI公司，從事儀器儀表、工業、醫療保健和能源行業的精密ADC產品相關工作和客戶支持。自2005年以來，Maithil一直在半導體行業工作，并已發表多篇技術文章。他于2006年獲得圣何塞州立大學電氣工程碩士學位，并于2010年獲得硅谷大學MBA學位。