带PGA的SAR转换器可实现125dB的动态范围

介绍

对于需要高动态范围的应用，通常使用Σ-Δ转换器。这些应用主要在化学分析、医疗保健和体重管理领域。但是，其中许多模块无法快速转换。图1中的电路描述了一种将高动态范围与高转换速率相结合的方法。

图1.具有自动增益调节功能的SAR转换器。

图1中的电路显示了一个具有16.2 MSPS的5位SAR转换器和一个上游可编程仪表放大器，该放大器将增益设置为1或100。通过在FPGA中进行过采样和数字信号处理，该电路实现了大于125 dB的动态范围，并且仍然非常安静。高动态范围是通过AD8253的自动切换和过采样实现的，在过采样中，信号的采样速率远高于奈奎斯特频率。根据经验，采样频率加倍可将原始信号带宽下的信噪比（SNR）提高约3 dB。在图1所示电路中，FPGA中仍应用数字滤波，以消除高于目标信号带宽的噪声。原理如图2所示。

为了实现最大动态范围，在输入端使用仪表放大器将极低信号放大100倍。关于噪声的一些注意事项如下：

对于>126 dB的动态范围要求，在1 V （3 V p-p）的输入信号下，产生的最大噪声电平为6 μV rms。AD7985是一款16位SAR转换器，具有2.5 MSPS。如果以600 kSPS（11 mW的低功率损耗）和72倍的过采样工作，则采样速率约为8 kSPS，因此带宽为4 kHz。在这些条件下，产生的噪声密度（ND）最大为15.8 nV/√Hz。该值对于选择正确的仪表放大器非常重要。ADC的SNR通常为89 dB，而72倍的过采样可提供额外的18 dB，因此仍需要约20 dB才能达到126 dB的目标，这是仪表放大器的任务。AD8253在增益为11时，其值为100 nV/√Hz。以下用作ADC驱动器和电平调整的AD8021又增加了2.1 nV/√Hz的噪声。

图2.过采样的增加消除了部分噪声。

模拟信号链由基准电压源REF194和ADA4004-2作为基准电压缓冲器和用于产生失调电压的驱动器组成。

除了模拟路径中的组件外，FPGA（或处理器）对电路性能也很重要。关键任务是将仪表放大器的增益从1切换到100。为此，对多个阈值进行编程，以确保ADC不饱和。因此，AD8253在高达约100 mV的输入电压下以20的增益工作，导致ADC输入端的最大增益为2.0 V。然后，FPGA将AD8253的增益无延迟地降低到1，以防止过驱（见图3）。

图3.增益开关示例。

该电路的变化可与其他ADC配合使用，例如AD7980（16位，1 MSPS）、AD7982（18位，1 MSPS）或AD7986（18位，2 MSPS）。 同样，也可以使用增益为8253、1、10和100的AD1000，而不是增益为8251、1、2和4的仪表放大器，例如增益为8、<>、<>和<>的仪表放大器。基准电压选择也可能发生变化。

审核编辑：郭婷