令人惊异的动态范围 凌力尔特SAR ADC代码运用全解 - 全文

凌力尔特公司推出的101dB SNR的18位SAR ADC新系列一定令您振奋吧？为了实现令人惊异的动态范围，您需要确保最大的信号利用了该ADC的整个满标度范围。换句话说，您需要运用所有代码。怎样才能做到这一点呢？

ADC的信噪比（SNR）定义为，ADC可以处理的最大信号与该ADC的本底噪声之比。为了实现高达102dB的SNR，LTC2379系列规定了10Vpp的差分输入范围，这意味着两个输入中的每一个都可以在0V~5V范围内摆动。

在ADC前面会有一个放大器。该放大器的作用是充当一个良好的电压源，以给ADC的采样电容充电。ADC输入是放大器输出，因此，针对ADC输入从0V~5V摆动，该放大器的输出也必须在0V~5V范围内摆动。

如果有宽范围的电源轨可用，那么事情就很容易了。例如，也许您已经有部分前端靠±15V的电源运行。在这种情况下，任何靠这种电源轨运行的运算放大器，其输出都可以在0V~5V之间摆动。您可以使用LT1468实现极好的DC精度和快速建立时间，或者使用LT1124实现非常低的漂移和低1/f噪声，还可以使用LT6011实现封装非常小的微功率运算放大器。

如果您不喜欢使用±15V这种宽范围的电源，而仍然想要在0V~5V的整个范围内摆动，那么，可以仅针对最后一级放大器产生特殊的电源轨，例如，-2V和+7V。LT6350驱动LTC2379-18的参考设计准确地做到了这一点（图1）。用+7V电源给5V基准供电也很方便。

图1：通过用+7V和-2V的电源给LT6350供电，可以为每个ADC输入从0V~5V摆动提供大量空间。这是DC1783A演示板上演示的缺省参考设计

不过，如果想用单一5V电源轨给放大器供电，会发生什么情况呢？您也许认为，利用轨到轨运算放大器就刚好有足够的空间在0V~5V摆动，但实际上却并非如此。轨到轨输出级并非是真正轨到轨的。这种输出级充其量也只能达到与每个轨相差约10mV的电压，而且这还是在硬限幅的情况下实现的，有时还会导致较慢的饱和恢复时间。如果需要良好的线性度（低失真），那么输出电压通常应该与每个轨相差至少数百毫伏。例如，新的低功率差分运放LTC6362（图2）用单一5V电源工作。其输出可以摆动至与任一电源轨相差约100mV的范围，该器件在与任一轨相差250mV以内时，保持》110dB的线性度。如果您设计系统时，让感兴趣的最大信号不超过这个范围，那么您就运用了至少90%的ADC代码，这意味着，实现了与规定动态范围相差不超过1dB的动态范围。在很多情况下，这是最好的解决方案。实际上，知道放大器保证不会超过（或恶化、损害）ADC的输入范围会让人安心。这自然而然起到了保护作用。

图2：即使每个输出摆动到与最近的轨相差250mV以内时，LTC6362差分运算放大器仍然保持》110dB的线性度。这给以缺省模式运行的LTC2397-18 ADC提供了-1dBFS的摆幅。如果以数字增益压缩模式配置ADC，那么，为了仍然运用该ADC的所有代码，LTC6362的输出仅需要8Vpp的差分摆幅。
 

LTC2379系列提供了被称为数字增益压缩（DGC）的创新功能。打开这个功能时，ADC将基准电压10%~90%的电压摆幅视为满标度。以这种方式工作时，采用一个5V基准，放大器输出仅需要在0.5V~4.5V范围内摆动，并且18位ADC的所有262，144个代码仍然可以使用。您可以相应调整前端增益，并以18位分辨率获得满标度，同时，放大器仅用单一5V电源运行。即使用上所有代码，动态范围仍然会缩小一点，因为模拟电压摆幅从10Vpp减小到了8Vpp，同时，热噪声仍然保持不变。就18位ADC而言，量化噪声非常小，因此，在数字增益压缩模式，将会损失大约2dB的SNR。就16位ADC而言，在数字增益压缩模式仅损失1dB的SNR，因为您会从相应减小的量化噪声中受益。

单端（或伪差分）LTC2369系列不支持数字增益压缩。这是有意为之的，因为就单端单极性信号而言，接近零的性能通常最为重要。当信号很小时，您恰恰最重视高性能ADC的精细分辨率和低噪声性能。就差分ADC而言，当两个输入相等时，就得到了“零”。就单极性单端ADC而言，当输入信号为地时，便得到“零”。因此，为了实现这种连接，您确实需要放大器能摆动到地。如果没有外部负电源可用，那么LTC6360可以用来解围。这款低噪声、高DC精度的高速运算放大器包括一个内置的片上充电泵，该充电泵在芯片上产生一个小的负偏置电压，给输出级供电。采用这种方式，输出可以完全摆动到0V，而不会接近失真或限幅状态。在高压侧，LTC6360的输出可以摆动至约4.5V。您或者可以将此定义为最大信号，并满足在5V基准的满标度的1dB内，或者使用4.096V基准并在满标度范围内摆动。后一种系统完全靠单一5V电源工作，甚至包括基准本身（图3）。

图3：LTC6360运算放大器包括一个片上的超低噪声充电泵，该充电泵允许输出完全摆动至0V，而不会产生任何失真迹象。采用这种方式，便可以开发一个完全的单电源系统，该系统仍然可以向LTC2379-18伪差分ADC提供满标度（包括零）范围摆动的电压。这个例子使用了一个4.096V基准，以便LTC6655基准IC也可以用5V模拟电源供电。

以上所有内容均探讨了驱动ADC的运算放大器的输出摆幅。下面，我们应该把注意力转移到输入摆幅的限制上了。

有时，您想让最后一级运算放大器做的事情，就是缓冲信号并输入到ADC，而不提供任何增益或电平移动。就一个配置为单位增益的运算放大器而言，输入摆幅与输出相同。这里的问题仍然是，如果您有范围很宽的电源轨可用（例如，±15V或-2V~+7V），那将不存在任何问题。但是，如果您想用单一5V电源使运算放大器工作，那么有可能产生一种想法，即认为所需做的所有工作是，在很多轨到轨输入运算放大器中选出一个，然后一切都将正常工作。不过，轨到轨输入级实际上是由两个并联输入级组成的：一个在输入接近正轨时工作；另一个在输入接近负轨（或地）时工作。这两个输入级每个都有自己的失调电压。当信号从一个输入级转换到另一个输入级时，在“切换”点会产生一个失调电压阶跃。这会导致系统传递函数的非线性。您需要查看运算放大器的数据表，以弄清在两种状态下，是否都对失调进行了微调。如果没有进行微调，那么非线性就可能对16位或18位INL性能有很大的不利影响。在另一方面，LTC6360在整个输入工作范围内对失调进行了严格的调整。结果，即使信号在0V~4V范围内摆动时，谐波失真仍然能保持低于-100dB。这个范围涵盖了切换点，就这款运算放大器而言，切换点电压约为3.6V。

另一种降低运算放大器输入摆幅要求的方法是，采用反相配置的放大器。例如，如图4所示，LT6350的每一个运算放大器都配置为反相，以便运算放大器输入的DC电压保持在电源电压范围中间的某个部位。这样，输入共模没有任何问题。诸如LTC6362的差分运算放大器本身就总是反相的。当用于如图所示的单端到差分转换时，运算放大器输入确实有摆动，但摆幅远小于信号本身的幅度。请注意，在每一个反相配置中，电路的输入阻抗都是电阻性的，因此必须确保前面的电路能驱动这个电阻。

图4：通过以反相模式配置LT6350的第一个运算放大器，即使给这个电路加上一个±10V的信号，该IC的输入电压也没有变化。LTC2379-18的数字增益压缩将运放输出的0.5V~4.5V摆幅转换为满标度，从而即使仅用单一电源供电，也可以提供所有代码。

总之，凌力尔特提供了全线的放大器解决方案，以使所需信号进入最高性能的16位和18位ADC.