下一代SAR ADC解决精密数据采集信号链设计的痛点

作者：Maithil Pachchigar 和 Alan Walsh

许多应用需要精密数据采集信号链，以便将模拟数据数字化，以便准确收集和处理。精密系统设计人员不断寻求创新方法来提高性能和降低功耗，同时在较小的PCB尺寸中适应更高的电路密度。本文讨论在设计精密数据采集信号链时遇到的常见痛点，以及如何使用下一代16/18位、2 MSPS、精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC解决这些问题。AD4000/AD4003（16位/18位）ADC采用ADI公司的先进技术设计，具有易用性特性，具有多种系统级优势，有助于降低信号链功耗，降低信号链复杂性，实现更高的通道密度，同时提高性能水平。本文将重点介绍数据采集子系统的性能和设计挑战，并解释该ADC系列如何在多个终端市场中产生应用级影响。

常见信号链设计痛点

图1显示了用于构建精密数据采集系统的典型信号链。需要精密数据采集系统的应用，如自动化测试设备、机器自动化、工业和医疗仪器，具有通常被认为在技术上相互冲突的共同趋势。例如，系统设计人员被迫在性能上做出权衡，以保持紧张的系统功率预算或电路板上的小面积，以实现高通道密度。这些精密数据采集信号链的系统设计人员在驱动SAR ADC输入、保护ADC输入免受过压事件的影响、使用单电源降低系统功耗以及使用低功耗微控制器和/或数字隔离器实现更高的系统吞吐量方面面临着共同的挑战。

图1.典型精密数据采集信号链。

由于开关电容输入，驱动高分辨率精密SAR ADC传统上一直是一个棘手的问题。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。

在电池供电仪器仪表等功耗敏感型应用中，通常需要使用单个低压电源运行系统。这最大限度地减少了电路的功耗，但引入了放大器前端的裕量和裕量问题。这意味着可能无法使用完整的ADC输入范围，因为驱动放大器无法一直驱动到地或一直驱动到ADC输入范围的上限，从而降低了整个系统的性能。这可以通过提高电源电压来弥补，但代价是功耗更高，或者接受系统的较低动态范围性能。

大多数ADC模拟输入IN+和IN−除ESD保护二极管外没有过压保护电路。在放大器轨大于 V 的应用中裁判小于地电位时，输出可能会超出器件的输入电压范围。在过压事件期间，模拟输入（IN+或IN−）引脚与REF之间的ESD保护二极管正向偏置并将输入引脚短路至REF，从而可能使基准电压源过载，导致器件损坏，或干扰多个ADC之间共享的基准电压源。这导致必须在ADC输入端添加肖特基二极管等保护电路，以防止过压条件损害ADC。不幸的是，肖特基二极管可能会因漏电流而增加失真和其他误差。

精密应用在与ADC接口的处理器方面有不同的需求。出于安全原因，某些应用需要进行电气隔离，并在ADC和处理器之间使用数字隔离器来实现这一点。处理器的选择或隔离需求限制了用于连接ADC的数字接口的效率。通常，低端处理器/FPGA或低功耗微控制器具有相对较低的串行时钟速率。这可能导致ADC的吞吐量低于预期，因为在时钟输出转换结果之前，ADC转换时间延迟较长。数字隔离器还会限制隔离栅上可实现的最大串行时钟速率，因为隔离器中的传播延迟限制了ADC的吞吐量。在这些情况下，ADC能够在不显著提高串行时钟速率的情况下实现更高的吞吐速率是可取的。

AD4000/AD4003精密SAR ADC系列解决常见设计挑战

AD4000/AD4003系列是一款基于SAR架构的快速、低功耗、单电源、16/18位精密ADC。

AD4000/AD4003精密ADC系列独特地将高性能与易用性特性相结合，可降低系统复杂性，简化信号链BOM，并显著缩短上市时间（见图2）。该系列使设计人员能够解决其高精度数据采集系统的系统级技术挑战，而无需做出重大权衡。例如，AD4000/AD4003 ADC系列的长采集相位、高输入阻抗（Z）模式和跨度压缩模式的组合减少了与ADC驱动器级相关的设计挑战，提高了ADC驱动器选择的灵活性。这样可以降低整体系统功耗、提高密度并缩短客户设计周期时间。大多数易用性功能可以通过SPI接口写入配置寄存器来启用/禁用。请注意，AD4000/AD4003 ADC系列与10引脚AD798x/AD769x ADC系列引脚兼容。

图2.AD4000/AD4003 ADC的主要优势

AD4000/AD4003 ADC易用性特性

长采集阶段

AD4000/AD4003 ADC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。SAR ADC周期时间由转换和采集阶段组成。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输入建立到正确的电压。较长的采集阶段降低了驱动放大器的建立要求，并允许较低的RC滤波器截止频率，这意味着可以容忍更高的噪声和/或更低的功率/带宽放大器。RC滤波器中可以使用较大的R值，相应的C值较小，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。它还降低了放大器的动态功耗。

高输入阻抗模式

为了实现高分辨率精密SAR ADC的最佳数据手册性能，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。高阻态模式的优点是低输入电流，适用于慢速 （<10 kHz） 或直流型信号，并在高达 100 kHz 的输入频率范围内改善失真 （THD） 性能。

AD4000/AD4003 ADC集成高阻态模式，当电容DAC在采集开始时切换回输入时，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。

图3显示了使能/禁用高阻态模式时AD4000/AD4003 ADC的输入电流。低输入电流使得该ADC比市场上现有的传统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3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，则AD4003在1 MSPS时将输入电流降低了4×。当启用高阻态模式时，输入电流进一步减小到亚微安范围。对于高于 100 kHz 的输入频率或多路复用输入时，应禁用高阻模式。

AD4000/AD4003 ADC的输入电流降低，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×。

图3.AD4003 ADC输入电流与输入差分电压的关系，高阻态使能/禁用。

如图4所示，AD4000/AD4003 ADC允许选择具有较低RC滤波器截止频率的低功耗/带宽精密放大器来驱动ADC，无需专用高速ADC驱动器，从而在精密、低带宽应用（信号带宽<10 kHz）中节省系统功耗、尺寸和成本。最终，AD4000/AD4003允许根据目标信号带宽而不是开关电容SAR ADC输入的建立要求来选择ADC前面的放大器和RC滤波器。

图4.传统的精密信号链。

图5和图6显示了使用

ADA4077时AD4003 ADC

的SNR和THD性能（I静态= 400 μA/放大器），

ADA4084

（I静态= 600 μA/放大器）和

ADA4610

（I静态= 1.5 mA/放大器）精密放大器，在具有各种RC滤波器值的高阻态使能/禁用情况下，以2 MSPS的全吞吐速率驱动AD4003 ADC。这些放大器的典型SNR为96 dB至99 dB，典型THD优于–110 dB，具有2.27 MHz RC带宽和1 kHz输入信号的高阻态。启用高阻态模式时，即使对于大于 200 Ω 的大 R 值，THD 也高出约 10 dB。 即使在非常低的 RC 滤波器截止频率下，SNR 也能保持接近 99 dB。

启用高阻态时，ADC将消耗约2 mW/MSPS的额外功耗，但这仍明显低于使用ADA4807-1等专用ADC驱动器，从而节省PCB面积和物料清单。对于大多数系统，前端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，具有高阻态模式的AD4003 ADC允许大大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，RC滤波器的选择也更加灵活。例如，当AD4003 ADC的高阻态放大器使能并使用带有4.42 MHz宽带输入滤波器的ADA4084-2驱动放大器时，SNR性能约为95 dB。使用498 kHz滤波器对ADC驱动器的噪声进行更积极的滤波，SNR提高了3 dB，达到98 dB。AD7982 ADC在较低RC截止时SNR性能会下降，因为ADC输入无法在较短的采集时间内建立反冲。

图5.使用精密放大器ADA4077、ADA4084和ADA4610的SNR与RC带宽的关系。

图6.使用ADA4077、ADA4084和ADA4610精密放大器的THD与RC带宽的关系。

图7（a）显示，系统设计人员可以使用功耗较低的2.5×ADC驱动器ADA4077（与ADA4807相比），当禁用高阻态模式时，AD4003 ADC仍能实现约97 dB的SINAD（比AD7982 ADC好3 dB）。即使RC带宽更宽（2.9 MHz），ADA4077放大器也无法直接驱动AD7982 ADC并实现最佳性能。驱动器无法在可用采集时间内建立ADC反冲，在较低的RC带宽截止下进行主动滤波，因此ADC SINAD性能下降。在禁用或启用高阻态模式时，AD4003 ADC的开关电容反冲大大降低，采集时间在1 MSPS时延长2.5×因此其SINAD性能仍明显优于AD7982 ADC。

启用高阻态模式后，AD4003 ADC的SINAD性能在RC滤波器截止频率较低的情况下使用两个ADC驱动器时会更好，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更多宽带噪声。如果未启用高阻态模式，则需要在RC滤波器截止和SINAD性能之间进行权衡。

图7.使用ADA4077和ADA4807的AD4003 ADC和AD7982 ADC放大器驱动器比较：禁用和启用高阻态模式时SINAD与RC带宽（FS= 1 MSPS， f在= 1 kHz）。

跨度压缩

AD4000/AD4003 ADC具有跨度压缩模式，非常适合只有一个正电源为SAR ADC驱动器供电的系统。它消除了ADC驱动器对负电源的需求，同时保持了ADC的全分辨率，从而节省了功耗并降低了电源设计的复杂性。如图8所示，ADC执行数字缩放功能，将0 V至0.1 V× V的零电平代码映射裁判和来自 V 的满量程代码裁判至 0.9 × V裁判.AD4000/AD4003 ADC的信噪比约为~1.9 dB（20×log（4/5）） 表示减小的输入范围。例如，对于采用5 V单电源供电、典型基准电压为4.096 V的子系统，满量程输入范围现在为~0.41 V至3.69 V，为驱动放大器供电提供了足够的裕量。

图8.AD4000/AD4003 ADC跨度压缩操作。

过压钳位

在放大器轨大于 V 的应用中裁判小于地电位时，输出可能会超出器件的输入电压范围。当正输入过量程时，电流通过D1流入REF（见图9），干扰基准电压源。更糟糕的是，它可能会将基准电压源拉到绝对最大基准值以上，从而损坏零件。

当模拟输入超过基准电压~400 mV时，AD4000/AD4003 ADC的内部箝位电路将导通，电流将通过箝位流入地，从而防止输入进一步上升并可能损坏器件。

图9.AD4003 ADC等效模拟输入电路

如图9所示，AD4000/AD4003 ADC的内部过压箝位电路具有较大的外部电阻（R内线 = 200 Ω）消除了对外部保护二极管的需求（因此需要额外的电路板空间）。箝位在D1之前导通，可吸收高达50 mA的电流。箝位通过将输入电压箝位到安全工作范围来防止器件损坏，并避免基准电压源的干扰，这对于在多个ADC之间共享基准电压源的系统尤为重要。

高效的数字接口

AD4000/AD4003 ADC具有灵活的数字串行接口，提供七种不同的模式和寄存器可编程性。其睿频模式允许用户在ADC仍在转换时开始输出先前的转换结果，如图10所示。短转换时间和睿频模式的组合允许较低的SPI时钟速率并简化隔离解决方案，从而降低数字隔离器的延迟要求，并扩大处理器的选择范围，包括低端处理器/FPGA或具有相对较低串行时钟速率的低功耗微控制器。例如，当工作速率为1 MSPS时，AD4003 ADC的SPI时钟速率可能比AD7982 ADC慢2.5×（25 MHz vs. 66 MHz）。用户可以写/回读寄存器位，以启用AD4000/AD4003 ADC的易用性特性，并且可以在转换结果后附加一个6位状态字，允许诊断和寄存器回读。串行接口的额定电压低至1.8 V逻辑电平，可在这些条件下实现完整的2 MSPS吞吐量。在启用睿频模式的情况下，AD4003 ADC以2 MSPS运行，最小SCK速率要求为75 MHz。

图 10.AD4003 ADC的睿频模式工作。

AD4000/AD4003 模数转换器性能

AD4000/AD4003 ADC采用1.8 V电源供电，在2 MSPS时典型功耗为14 mW/16 mW，具有±1.0 LSB （±3.8 ppm）的出色线性度，并保证18位无失码。图11显示了AD4003 ADC的典型INL性能与代码性能的关系。AD4003 ADC在高达奈奎斯特的宽输入频率范围内实现了比AD7982 ADC更好的SINAD性能（图12），使系统设计人员能够开发更宽带宽、更高精度的仪器仪表设备。AD4000/AD4003 ADC采用小尺寸10引脚封装（3 mm×3 mm，LFCSP和3 mm × 5 mm，MSOP选项），引脚兼容AD798x/AD769x ADC系列。

图 11.AD4003 ADC INL与代码

图 12.AD4003 ADC 与 AD7982 ADC SINAD 与输入频率的关系

AD4000/AD4003 ADC在每个转换阶段结束时自动关断;因此，其功耗与吞吐量成线性关系，如图 13 所示。此功能使该器件非常适合低采样率（甚至低至几赫兹）以及电池供电的便携式和可穿戴系统。即使在低占空比应用中，第一个转换结果也始终有效。

图 13.AD4003 ADC功耗与吞吐量的关系

系统应用

AD4000/AD4003 ADC系列兼具易用性、高性能、小尺寸和低功耗，是许多精密控制和测量系统应用的理想解决方案。AD4000/AD4003 ADC降低了测量不确定性，提高了可重复性，实现了高通道密度，并提高了自动化测试设备、自动化机器控制设备和医疗成像设备的吞吐效率。该ADC非常适合需要更高频率性能以捕获快速瞬变和飞行时间信息的系统，例如功率分析仪和质谱仪应用。

结论

AD4000/AD4003 ADC系列使设计人员能够解决其高精度数据采集系统的系统级技术挑战，而无需做出重大权衡，从而缩短了系统总设计时间。AD4000/AD4003 ADC的高性能提高了测量精度，其小尺寸与低系统级热耗散相结合，可实现更高的密度。

审核编辑：郭婷