引脚兼容的高输入阻抗ADC系列简化了驱动范围

Maithil Pachchigar

自动化测试设备、机器自动化、工业和医疗仪器等应用需要精密数据采集系统，以便准确地分析和数字化物理或模拟信息。想要通过高分辨率、精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC实现完整数据手册规格的系统设计人员通常被迫使用专用的高功率、高速放大器来驱动传统的开关电容SAR ADC输入，以满足其精密应用的需求。这是设计精密数据采集信号链时遇到的常见痛点之一，本文介绍引脚兼容的AD4000 ADC系列，以解决这一问题。该系列16/18/20位精密SAR ADC采用ADI公司的先进技术和先进架构设计，具有易用性特性，具有多种系统级优势，可降低信号链功耗和复杂性，提高通道密度，同时不影响性能。高阻态模式、降低输入电流和长采集相位的独特组合简化了ADC驱动挑战，并降低了对ADC驱动器的建立要求。这拓宽了驱动ADC的放大器选择范围，使其采用低功耗/带宽精密放大器，包括JFET和用于直流或低频（<10 kHz）应用的仪表放大器。这是之前出版的《模拟对话》的后续版本1本文将介绍具有较低RC滤波器截止频率的各种精密放大器，可直接驱动该ADC，同时实现最佳性能，无需专用ADC驱动器级，并显著节省系统功耗、电路板空间和BOM成本。

驱动传统SAR ADC输入

图1显示了用于构建精密数据采集系统的典型信号链。驱动高分辨率、高精度SAR ADC历来是系统设计人员的主要痛点之一，也是由于开关电容输入而面临的一个棘手问题。

图1.典型精密数据采集信号链。

系统设计人员需要密切关注ADC驱动器数据手册，并查看噪声、失真、输入/输出电压裕量/裕量、带宽和建立时间规格。通常，需要宽带宽、低噪声和高功率的高速ADC驱动器，以便在可用采集时间内建立SAR ADC输入的开关电容反冲。这大大减少了放大器驱动ADC的选项，并导致显著的性能/功耗/面积权衡。此外，选择合适的RC滤波器放置在驱动器和ADC输入之间会对放大器的选择和性能施加进一步的限制。ADC驱动器输出和SAR ADC输入之间需要RC滤波器来限制宽带噪声并降低电荷反冲的影响。通常，系统设计人员需要花费大量时间来评估信号链，以确保所选的ADC驱动器和RC滤波器能够驱动ADC实现所需的性能。

如图2时序图所示，SAR ADC吞吐量（1/周期时间）由转换和采集阶段组成，在采集阶段，可以使用串行SPI接口输出来自ADC的数据。在传统的SAR架构中，转换阶段通常较长，采集阶段较短。在转换阶段，ADC电容DAC与ADC输入断开，以执行SAR转换。输入在采集阶段重新连接，ADC驱动器必须在下一个转换阶段开始之前将非线性输入反冲建立到正确的电压。ADC驱动器无法在可用采集时间内建立传统的SAR ADC反冲，并在较低的RC带宽截止下进行强力滤波，因此ADC失真/线性度性能会降低。

图2.传统SAR ADC的时序图

图3.AD4000 ADC系列的时序图，包括输入反冲。

更长的采集阶段

AD4000 ADC系列具有290 ns的极快转换时间，ADC在正在进行的转换过程结束前100 ns返回采集阶段，从而实现更长的采集阶段，如图3所示。即使禁用高输入阻抗（Z）模式，该ADC系列输入的非线性反冲也会显著降低，当使能高阻态模式时，其水平几乎可以忽略不计。这减轻了ADC驱动器的建立时间负担，并允许在大R下实现较低的RC截止，这意味着也可以容忍更高的噪声和/或更低的功率/带宽放大器。这允许根据目标信号带宽而不是开关电容输入的建立要求来选择ADC前面的放大器和RC滤波器。RC滤波器中可以使用较大的R值和相应的较小C值，从而减少了放大器稳定性问题，而不会显着影响失真性能。较大的R值有助于保护ADC输入免受过压情况的影响，从而降低放大器中的动态功耗。较长采集阶段的另一个好处是，它可实现低SPI时钟速率，以降低输入/输出功耗，拓宽处理器/FPGA的替代方案，并在不影响ADC吞吐量的情况下简化数字隔离要求。

高阻态模式

AD4000 ADC系列集成高阻态模式，当电容DAC在采集开始时切换回输入端时，可降低非线性电荷反冲。启用高阻态模式时，电容DAC在转换结束时充电，以保持先前采样的电压。此过程可减少转换过程中的任何非线性电荷效应，影响在下一个采样之前在ADC输入端采集的电压。高阻态模式的优点是无需专用的高速ADC驱动器，并扩大了低功耗/带宽精密放大器的选择范围，包括用于低频（<10 kHz）或直流型信号的JFET和仪表放大器。

图4显示了使能/禁用高阻态模式时AD4003/AD4007/AD4011的输入电流。低输入电流使ADC比市场上的传统SAR ADC更容易驱动，即使禁用了高阻态模式也是如此。如果将图4中禁用高阻态模式的输入电流与上一代AD7982 ADC的输入电流进行比较，AD4007在4 MSPS时将输入电流降低了1×。当启用高阻态模式时，输入电流进一步减小到亚微安范围。

由于该ADC系列的输入电流减小，因此能够以比传统SAR高得多的源阻抗驱动。这意味着RC滤波器中的电阻值可以比传统SAR设计大10倍。

图4.AD4003/AD4007/AD4011 ADC输入电流与输入差分电压的关系，高阻态使能/禁用。

精密放大器直接驱动AD4000 ADC系列

对于大多数系统，前端（而非ADC本身）通常会限制信号链可实现的整体AC/DC性能。从图5和图6中所选精密放大器的数据手册中可以明显看出，在特定输入频率下，其自身的噪声和失真性能在SNR和THD规格中占主导地位。但是，该ADC系列具有高阻态模式，允许扩展驱动器放大器的选择范围，包括信号调理级中使用的精密放大器，同时在RC滤波器选择方面具有更大的灵活性，同时仍能为所选放大器实现最佳性能。

图5和图6显示了使用低功耗ADA4003-4020时AD4692/AD2 ADC的SNR和THD性能静态= 180 μA/放大器），低输入偏置 JFET ADA4610-1 （I静态= 1.5 mA/放大器）和零交越失真ADA4500-2 （I静态= 1.55 mA/放大器）精密放大器，当在具有各种RC滤波器值的高阻态使能/禁用情况下，使用1 V基准电压源以全吞吐量驱动ADC输入时。ADA5-4692和ADA2-4610放大器可实现高于1 dB的典型SNR，并启用高阻态，可实现98 kHz和260 kHz的较低RC带宽，这有助于在目标信号带宽较低时消除来自上游信号链组件的宽带噪声。根据应用要求，设计人员可以选择适当的精密放大器来驱动ADC输入。例如，ADA498-4692轨到轨放大器更适合便携式功耗敏感型应用，这些应用可以直接驱动该ADC系列，同时仍能实现最佳性能。

启用高阻态模式时，即使RC带宽低于4003.4020 MHz且大R值大于10 Ω，THD在RC滤波器截止频率为1.3 MHz时也能保持–390 dB以上，AD104/AD4 SNR至少提高42 dB。请注意，该ADC系列可以通过利用全吞吐量进行过采样，以在较低的RC滤波器截止频率下实现更好的SNR性能。

图5.使用精密放大器ADA4003-4020、ADA4692-2和ADA4610-1的AD4500/AD2 SNR与RC带宽的关系，f在= 1 kHz， 参考电压 = 5 V.

图6.使用精密放大器ADA4003-4020、ADA4692-2和ADA4610-1的AD4500/AD2 THD与RC带宽的关系，f在= 1 kHz， 参考电压 = 5 V.

启用高阻态时，AD4003/AD4020的典型功耗为2 mW/MSPS至2.5 mW/MSPS，但仍明显低于使用ADA4807-1等专用ADC驱动器，因此可以节省PCB面积和BOM成本。系统设计人员可以使用功耗较低的5.5×ADC驱动器ADA4692-2（与ADA4807相比），当在96.2 MHz和27.4 MHz RC带宽禁用高阻态模式时，该ADC仍能实现约47 dB的典型SINAD。启用高阻态模式后，使用ADC驱动器时，ADC驱动器的ADC SNR/THD性能更好，而在禁用高阻态模式时，ADC SNR/THD性能和RC滤波器截止之间需要权衡。

仪表放大器直接驱动AD4000 ADC系列

仪表放大器具有出色的精密性能、共模抑制和高输入阻抗，可直接与传感器连接，但它们通常具有较低的小信号带宽（<10 MHz）。使用SAR ADC和仪表放大器设计精密信号链（例如ATE、医疗设备）的客户通常在信号馈送到ADC输入之前使用信号调理或驱动器级，以实现电平转换和反冲建立目的。

图7所示为AD8422在使能高阻态模式下直接驱动AD4000的简化框图，无需驱动器级并节省电路板空间。根据目标带宽选择600 Ω和25 nF的优化RC滤波器值，以消除10 kHz以上的宽带噪声。AD8422的REF引脚偏置至V裁判使用ADA2进行/4805和缓冲，以实现优化的性能。该信号链在增益（由RG设置）为100（无RG）和1（RG = 1.10 kΩ）的2 Hz和2 kHz输入信号提供最佳SNR和THD性能。图8和图9显示，启用高阻态时，ADC可实现高于91 dB的SNR和高于–96 dB的THD，增益为1和10，每个吞吐量为100 Hz，最高可达2 MSPS。如图8和图9所示，随着ADC吞吐量的降低，SNR和THD略有好转，从而提供了更长的采集时间来建立输入反冲。

图7.AD8422 （G = 1） 仪表放大器直接驱动精密SAR ADC的简化框图。

图8.AD4000 SNR 与吞吐量的关系，AD8422 配置为增益 = 1 和 10，使能高阻态。

图9.AD4000 THD 与吞吐量的关系，AD8422 配置为增益 = 1 和 10，高阻态启用。

结论

表1显示了AD4000系列引脚兼容的低功耗16/18/20位精密SAR ADC，提供不同的速度和输入类型，兼具易用性和精密性能，使设计人员能够解决系统级技术挑战。

 

速度	16 位、单端	16 位，差分	18 位、单端	18 位，差分	20 位，差分
2 兆字节	AD4000	AD4001	AD4002	AD4003	AD4020
1 兆字节	AD4004	AD4005	AD4006	AD4007
500 千秒	AD4008		AD4010	AD4011

 

AD4000 ADC系列具有高阻态模式、更低的输入电流和更长的采集阶段的独特组合，便于驱动，并帮助设计人员省去专用的高速ADC驱动器级，这有助于节省PCB面积、功耗和BOM成本，并拓宽ADC驱动器的选择范围。此外，这些特性允许设计人员根据目标带宽优化RC滤波器值，从而减轻对宽带噪声、放大器稳定性、ADC输入保护和动态功耗的担忧。本文阐述了精密放大器的各种用例，包括直接驱动该ADC系列输入的仪表放大器，并阐明了该系列如何帮助解决常见的系统级问题，而不会显著影响精密性能。

审核编辑：郭婷