使用过采样增加SAR ADC的动态范围

您是否使用过任何ADC（Δ-Σ或SAR）并在过采样模式下运行？你得到了预期的结果吗？你遇到什么问题了吗？

在之前的一些文章中，Δ-Σ和SAR（逐次逼近寄存器）ADC的一般概述中，已经涵盖了与信噪比（SNR）和有效位数（ENOB）相关的过采样技术。过采样技术最常用于 Δ-Σ ADC，但它也可用于 SAR ADC。在本文中，我们将更深入地了解其工作原理。首先，从系统级角度快速概述：

用于光谱学、磁共振成像 （MRI）、气相色谱、振动、石油/天然气勘探和地震仪器的高性能数据采集信号链除了需要降低功耗、面积和成本外，还需要高动态范围 （DR）。实现更高动态范围的方法之一是对转换器进行过采样，以精确监控和测量来自传感器的小输入信号和大输入信号。

还有许多其他方法可以增加ADC的动态范围，例如并行操作多个ADC，并对输出进行数字后处理以获得平均结果，或者使用可编程增益放大器。然而，一些设计人员可能会发现这些方法在他们的系统中实现起来很麻烦或不切实际，主要是由于功耗、空间和成本原因。本技术文章重点介绍高吞吐量5 MSPS、18/16位精密SAR转换器的过采样，方法是实现ADC样本的简单平均，以实现更高的动态范围性能。

过采样说明

过采样是一种经济高效的过程，它以比奈奎斯特频率高得多的速率对输入信号进行采样，以提高SNR和分辨率（ENOB），这也放宽了对抗混叠滤波器的要求。作为一般准则，对ADC进行四倍过采样可提供额外的一位分辨率，或动态范围增加6 dB。提高过采样比 （OSR） 可降低整体噪声，并且由于过采样而改善的 DR 为 ΔDR = 10log10 （OSR），单位为 dB。

除了使用 Δ-Σ ADC 进行过采样外，对高吞吐量 SAR ADC 进行过采样还可以改善抗混叠并降低整体噪声。在许多情况下，过采样在具有集成数字滤波器和抽取功能的Δ-Σ ADC中固有地使用和实现良好。但是，Δ-Σ ADC通常不适合输入通道之间的快速切换（多路复用）。如图1所示，Δ-ΣADC中的基本过采样调制器对量化噪声进行整形，使得大部分噪声发生在目标带宽之外，从而在低频下增加整体动态范围。然后，数字低通滤波器（LPF）消除目标带宽之外的噪声，抽取器将输出数据速率降低回奈奎斯特速率。

图1.奈奎斯特转换器的过采样。

5 MSPS、18/16位精密转换器

作为实际工作原理的示例，我们来看看AD7960和AD7961器件。这些是18位/16位ADC（分别为），可转换高达5 MSPS。它们使用专有的电容数模技术来降低噪声并提高线性度，而不会出现延迟或流水线延迟。低本底噪声是通过低均方根噪声和高吞吐量的组合实现的。这使得这些ADC适合过采样应用。

AD7960/AD7961系列采用1.8 V和5 V电源供电，在自时钟模式下转换时功耗仅为39 mW，在回波时钟模式下转换时功耗仅为5 MSPS，功耗为46.5 mW。功耗与吞吐速率成线性关系，如图2所示，适合低功耗便携式应用。

图2.AD7960功耗与吞吐速率的关系

AD7960/AD7961 评估设置

AD7960/AD7961系列将反相模拟输入（IN+和IN−）的差分电压转换为数字输出。模拟输入IN+和IN−需要等于基准电压一半的共模电压。低噪声、低功耗放大器AD8031缓冲来自低噪声和低漂移ADR4550的5 V基准电压，还缓冲AD7960/AD7961的共模输出电压（VCM）。

低噪声和超低失真ADA4899-1配置为单位增益缓冲器，以0 V至5 V差分反相（彼此错相180°）驱动AD7960/AD7961的输入。该电路为输入ADA4899-1驱动器使用+7 V和−2.5 V电源，以最大限度地降低功耗并实现最佳系统失真性能。使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板的评估设置的简化原理图如图3所示。

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图3.AD7960/AD7961评估设置的简化原理图（未显示所有去耦）。

在本文的第1部分中，我们开始研究如何利用SAR ADC降低噪声、增加动态范围和增加ENOB。该方法基于过采样（通常用于低速、高分辨率∆-Σ ADC），其他地方不太常用。我们 继续 使用 评估 板 和 其 软件 查看 SAR ADC 的 一些 测试 结果。

在第2部分中，我们将继续介绍AD7960/AD796。我们还将介绍可提供分析的可用评估板和软件。我们将看到这些ADC的性能如何。该评估板可通过查看ADC的FFT输出轻松了解性能。

测量结果

过采样功能在AD7960/AD7961评估软件中实现，对ADC输出样本进行简单平均，将ADC样本数量相加，除以过采样比，得到增加的动态范围。该软件允许用户从“配置”选项卡下的下拉菜单中选择高达 256 的过采样率，如图 4 所示。实现的最大动态范围受到系统低频1/f噪声的限制，在低于20 kSPS的较低输出数据
速率下，低频1/f噪声开始占主导地位。

图4.AD7960/AD7961评估软件面板

图5和图6中的信号频谱和从直流到fs/2的平坦噪声表明，噪声可以滤波到fs/（2 × OSR），以改善动态范围和SNR。在这种情况下，过采样动态范围是峰值信号功率与ADC输出FFT中测量的噪声功率之比，从直流到fs/（2 × OSR），其中fs是ADC采样速率。

图5.AD7960过采样FFT输出，无输入信号和f在= 1 kHz （OSR = 256， REF = 5 V）。

图6.AD7961过采样FFT输出，无输入信号，且f.在= 1 kHz （OSR = 256， REF = 5 V）。

AD7960和AD7961使用数据手册中规定的5 V基准电压源时，典型动态范围分别为100 dB和96 dB，因此理论上，由于过采样256，动态范围应增加24 dB。

实际上，这些器件测得的过采样动态范围分别为122 dB和119 dB，在输出数据速率为19.53 kSPS时过采样256×无输入信号，从理论计算来看，动态范围下降1 dB至2 dB。这受到来自信号链元件、输入源和印刷电路板的低频噪声的限制。利用1 kHz满量程正弦波输入信号，这些器件的过采样SNR分别约为111 dB和110 dB。图7显示了AD7960如何在过采样比增加和输出数据速率降低的情况下实现更大的动态范围。

图7.AD7960动态范围与输出数据速率的关系

应用示例

MRI 系统在 1 MHz 至 100 MHz 射频频段内工作，而计算机断层扫描 （CT） 和数字 X 射线在 1016 Hz 至 1018 Hz 频率范围内工作，使患者受到可能损害活组织的电离辐射。MRI梯度控制系统需要非常高的动态范围、严格的线性度和从直流到几十千赫兹的快速响应时间，并且必须在模拟或数字域中将其梯度精确控制在1 mA （1 ppm）左右，以提高图像质量。

使用具有良好规格的过采样SAR ADC（如AD7960）将使设计工程师能够实现高动态范围并满足MRI系统的关键要求。此类系统需要在医院或医生办公环境中长时间保持测量的可重复性和稳定性。设计工程师应该寻找的其他要求是高分辨率、高精度、低噪声、快速刷新率和极低的输出漂移。

审核编辑：郭婷