如何改進(jìn)精密ADC信號鏈設(shè)計(jì)

作者：ADI?公司　　Abhilasha Kawle，高級模擬設(shè)計(jì)工程師　　Wasim Shaikh，應(yīng)用工程師

摘要

精密信號鏈設(shè)計(jì)人員面臨著滿足中等帶寬應(yīng)用中噪聲性能要求的挑戰(zhàn)，最后往往要在噪聲性能和精度之間做出權(quán)衡?？s短上市時(shí)間并在第一時(shí)間完成正確的設(shè)計(jì)則進(jìn)一步增加了壓力。持續(xù)時(shí)間Σ-Δ (CTSD) ADC本身具有架構(gòu)優(yōu)勢，簡化了信號鏈設(shè)計(jì)，從而縮減了解決方案尺寸，有助于客戶縮短終端產(chǎn)品的上市時(shí)間。為了說明CTSD ADC本身的架構(gòu)優(yōu)勢及其如何適用于各種精密中等帶寬應(yīng)用，我們將深入分析信號鏈設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)人員了解CTSD技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢，并探索AD4134?精密ADC易于設(shè)計(jì)的特性。

簡介

在許多數(shù)字處理應(yīng)用和算法中，在過去的20年里，日益要求所有轉(zhuǎn)換器技術(shù)都具有更高的分辨率和精度。通過使用外部數(shù)字控制器，借助平均和優(yōu)化的濾波方案等軟件技術(shù)可提取并提供更精確的結(jié)果，從而提高ADC受限的分辨率/精度。為了減少數(shù)字微控制器或DSP的大量后處理工作，設(shè)計(jì)人員可使用高性能精密ADC。這將減少數(shù)字方面的優(yōu)化時(shí)間，也可以考慮使用成本較低的微控制器或DSP。精密ADC的應(yīng)用和市場很廣泛：

?工業(yè)儀器儀表：振動分析、溫度/壓力/應(yīng)力/流量測量、動態(tài)信號分析、聲學(xué)分析

圖1.精密ADC信號鏈?zhǔn)纠?/p>

?醫(yī)療儀器儀表：電生理學(xué)、血液分析、心電圖(EKG/ECG)

?防務(wù)應(yīng)用：聲納、遙測

?測試和測量：音頻測試、硬件循環(huán)、電能質(zhì)量分析

由ADC處理的模擬輸入信號可以是帶有電壓、電流輸出的傳感器信號，也可以是帶寬范圍從直流到幾百kHz的反饋控制環(huán)路信號。ADC數(shù)字輸出格式和速率取決于以下數(shù)字控制器所需的應(yīng)用和后處理。一般而言，信號鏈設(shè)計(jì)人員遵循奈奎斯特采樣準(zhǔn)則，將數(shù)字控制器的ADC輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)設(shè)置為至少是輸入頻率的兩倍。大多數(shù)ADC允許基于相關(guān)信號頻帶靈活地調(diào)整輸出數(shù)據(jù)速率。

對于目前可用的ADC，在ADC可與輸入信號交互前涉及到幾個(gè)信號調(diào)理階段。具有嚴(yán)格要求的信號調(diào)理電路需要圍繞特定和單獨(dú)的ADC技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和定制，確保能夠?qū)崿F(xiàn)ADC數(shù)據(jù)手冊的性能。選擇ADC后，信號鏈設(shè)計(jì)人員的工作并沒有結(jié)束。通常需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力來設(shè)計(jì)外設(shè)并進(jìn)行調(diào)整。ADI公司的設(shè)計(jì)仿真工具和模型庫可為設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)支持，幫助他們應(yīng)對設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

新方法：利用CTSD架構(gòu)簡化設(shè)計(jì)之旅

CTSD架構(gòu)主要用于音頻和高速ADC，現(xiàn)在針對精密應(yīng)用量身定制，可實(shí)現(xiàn)高精度，同時(shí)利用其獨(dú)特信號鏈簡化特性。利用此架構(gòu)可以減輕設(shè)計(jì)外設(shè)的工作量。圖2顯示了如何通過使用這種新的解決方案來實(shí)現(xiàn)高通道密度，將當(dāng)前ADC信號鏈簡化并縮減56%，圖中只是其中的一小部分。

為了說明CTSD ADC技術(shù)如何簡化信號鏈設(shè)計(jì)，本文重點(diǎn)介紹一般應(yīng)用的現(xiàn)有信號鏈中涉及的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并演示了CTSD ADC如何緩解這些挑戰(zhàn)。

因此，我們首先介紹現(xiàn)有信號鏈中涉及的幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟，第一個(gè)任務(wù)是選擇適合目標(biāo)應(yīng)用的正確ADC。

第1步：選擇ADC

除了應(yīng)用所需的最終數(shù)字輸出的分辨率和精度外，從廣泛的可用范圍中選擇合適的ADC時(shí)，信號帶寬、ODR、信號類型和要處理的范圍也是重要考慮因素。一般而言，在大多數(shù)應(yīng)用中，數(shù)字控制器要求使用算法來處理輸入信號的幅度、相位或頻率。

為了準(zhǔn)確地測量前面的任何一個(gè)因素，需要盡量減小數(shù)字化過程中增加的誤差。表1中詳細(xì)列出了主要誤差及其相應(yīng)的測量術(shù)語，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換基本指南中提供了進(jìn)一步詳細(xì)說明。

表1.ADC誤差和性能指標(biāo)

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表1中的性能指標(biāo)與信號幅度和頻率有關(guān)，通常稱為交流性能參數(shù)。

對于直流或近直流應(yīng)用，如處理50 Hz至60 Hz輸入信號的功率計(jì)量，必須考慮偏置、增益、INL和閃爍噪聲等ADC誤差。這些直流性能參數(shù)也需要針對應(yīng)用預(yù)期用途具有一定的溫度穩(wěn)定性。

ADI提供各種行業(yè)領(lǐng)先的高性能ADC，以滿足多個(gè)應(yīng)用的系統(tǒng)需求，例如基于精度、速度或有限功耗預(yù)算的應(yīng)用。僅比較兩組ADC規(guī)格不足以正確選擇ADC。還必須考慮整體系統(tǒng)性能和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這才是選擇ADC技術(shù)或架構(gòu)的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)上首選兩大類ADC架構(gòu)。常用的是逐次逼近寄存器(SAR) ADC，其遵循簡單的奈奎斯特準(zhǔn)則。它指出，如果以其頻率的兩倍采樣，可重構(gòu)信號。SAR ADC的優(yōu)勢在于出色的直流性能、小尺寸、低延遲以及通過ODR進(jìn)行功耗調(diào)節(jié)。

第二種技術(shù)選項(xiàng)是離散時(shí)間Σ-Δ (DTSD) ADC，其工作原理是樣本數(shù)目越大，丟失的信息就越少。因此，采樣頻率遠(yuǎn)高于規(guī)定的奈奎斯特頻率，這種方案稱為過采樣。此架構(gòu)還有一個(gè)優(yōu)勢是，由于采樣而增加的誤差可在目標(biāo)頻帶內(nèi)最小化。因此，DTSD ADC兼具出色的直流和交流性能，但延遲較高。

圖2.具有ADI易于使用的新CTSD ADC的小尺寸解決方案

圖3展示了SAR和DTSD ADC的典型模擬輸入帶寬，以及一些不同速度和分辨率的常用產(chǎn)品選擇。也可使用精密快速搜索功能幫助您選擇ADC。

此外，現(xiàn)在還有一種新型精密ADC可用。這些ADC基于DTSD ADC，與DTSD ADC性能相當(dāng)，但在簡化整個(gè)信號鏈設(shè)計(jì)過程方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。這個(gè)全新的ADC系列可以解決現(xiàn)有信號鏈后續(xù)幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟中比較突出的挑戰(zhàn)。

第2步：輸入與ADC接口

由ADC處理其輸出的傳感器可能具有非常高的靈敏度。設(shè)計(jì)人員必須清楚地知道傳感器將與之接口的ADC輸入結(jié)構(gòu)，確保ADC誤差不會影響實(shí)際傳感器信號或使其失真。

在傳統(tǒng)SAR、DTSD ADC中，輸入結(jié)構(gòu)稱為開關(guān)電容采樣保持電路，如圖4所示。在每個(gè)采樣時(shí)鐘邊緣，當(dāng)采樣開關(guān)改變其ON/OFF狀態(tài)時(shí)，需要支持有限電流需求，以便將保持電容充放電至一個(gè)新的采樣輸入值。此電流需要通過輸入源提供，在我們討論的示例中，這個(gè)輸入源是傳感器。此外，開關(guān)本身有一些片內(nèi)寄生電容，會將一些電荷注入電源，稱為電荷注入反沖。由此增加的誤差源也需要由傳感器吸收，以免對傳感器信號造成不利影響。

大多數(shù)傳感器無法提供這種電流幅度，表明它們不能直接驅(qū)動開關(guān)電路。在另一種情況下，即使傳感器能夠支持這些電流需求，傳感器的有限阻抗也會在ADC輸入端增加誤差。電荷注入電流與輸入成函數(shù)關(guān)系，此電流將會在傳感器阻抗上引起與輸入相關(guān)的壓降。如圖4a所示，ADC的輸入錯(cuò)誤。在傳感器和ADC之間放置一個(gè)驅(qū)動放大器可以解決這些問題，如圖4b所示。

現(xiàn)在我們需要為此放大器設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。首先，放大器應(yīng)支持充電電流并能夠吸收電荷注入反沖。其次，該放大器的輸出需要在采樣邊緣的末端完全穩(wěn)定，使得對ADC輸入采樣時(shí)不會增加誤差。這意味著放大器應(yīng)能提供瞬時(shí)電流階躍，映射為具有高壓擺率，并對這些瞬態(tài)事件提供快速建立響應(yīng)，映射為具有高帶寬。隨著ADC的采樣頻率和分辨率的增加，能否滿足這些需求變得至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)人員，特別是處理中等帶寬應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員所面臨的一大挑戰(zhàn)是為ADC確定合適的放大器。如前所述，ADI提供了一組仿真模型和精密ADC驅(qū)動器工具來簡化此步驟，但對于設(shè)計(jì)人員來說，這是實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)手冊性能的額外設(shè)計(jì)步驟。一些新時(shí)代的SAR和DTSD ADC通過使用新穎的采樣技術(shù)來完全降低瞬態(tài)電流需求，或采用集成放大器應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。但這兩種解決方案都限制了信號帶寬的范圍或削弱了ADC的性能。

CTSD ADC的優(yōu)勢：CTSD ADC通過為易于驅(qū)動的電阻輸入而非開關(guān)電容輸入提供新的選項(xiàng)，來解決這個(gè)問題。這表明對高帶寬、大壓擺率的放大器沒有硬性要求。如果傳感器可直接驅(qū)動此阻性負(fù)載，則可直接與CTSD ADC接口；否則可在傳感器和CTSD ADC之間連接任何低帶寬、低噪聲放大器。

圖3.精密ADC架構(gòu)定位

圖4.(a)開關(guān)電容電荷注入反沖到傳感器，(b)使用輸入緩沖器隔離反沖效應(yīng)

第三步：基準(zhǔn)電壓源與ADC接口

與基準(zhǔn)電壓源接口涉及的挑戰(zhàn)與輸入接口類似。傳統(tǒng)ADC的基準(zhǔn)電壓源輸入也是開關(guān)電容。在每個(gè)采樣時(shí)鐘邊緣，基準(zhǔn)電壓源需要對內(nèi)部電容充電，因此需要具有良好建立時(shí)間的大開關(guān)電流。

可用的基準(zhǔn)電壓源IC不支持大開關(guān)電流需求，并且?guī)捰邢蕖５诙€(gè)接口挑戰(zhàn)是來自這些基準(zhǔn)電壓源的噪聲比ADC的噪聲大。為了濾除這種噪聲，使用了一階RC電路。一方面，我們限制基準(zhǔn)電壓源的帶寬以減少噪聲，另一方面，我們需要快速建立時(shí)間。這是兩個(gè)需要同時(shí)滿足的相反要求。因此，使用低噪聲緩沖器來驅(qū)動ADC基準(zhǔn)引腳，如圖5b所示。此緩沖器的壓擺率和帶寬基于ADC的采樣頻率和分辨率來決定。

同樣，與我們的精密輸入驅(qū)動器工具一樣，ADI也提供針對ADC仿真和選擇正確的基準(zhǔn)電壓源緩沖區(qū)的工具。與輸入一樣，一些新時(shí)代的SAR和DTSD ADC也提供集成基準(zhǔn)電壓源緩沖區(qū)選項(xiàng)，但具有性能和帶寬限制。

CTSD ADC的優(yōu)勢：使用CTSD ADC可完全跳過此設(shè)計(jì)步驟，因?yàn)樗鼮轵?qū)動阻性負(fù)載提供一種新的簡便選項(xiàng)，而不需要此類高帶寬、大壓擺率的緩沖器。具有低通濾波器的基準(zhǔn)電壓源IC可直接與基準(zhǔn)引腳接口。

第四步：使信號鏈不受干擾影響

對連續(xù)信號進(jìn)行采樣和數(shù)字化處理會導(dǎo)致信息丟失，這稱為量化噪聲。采樣頻率和位數(shù)決定了ADC架構(gòu)的性能限制。解決基準(zhǔn)電壓源和輸入的性能和接口挑戰(zhàn)之后，下一個(gè)難題是解決高頻(HF)干擾源/噪聲折疊到目標(biāo)低頻帶寬的問題。這稱為混疊或折回。這些進(jìn)入目標(biāo)帶寬的高頻或帶外干擾源的反射圖像導(dǎo)致信噪比(SNR)降低。根據(jù)采樣準(zhǔn)則，采樣頻率周圍的任何信號音都會在帶內(nèi)折回，如圖6所示，在目標(biāo)頻帶內(nèi)產(chǎn)生不必要的信息或錯(cuò)誤。有關(guān)混疊的更多詳細(xì)信息參見教程MT-002: 奈奎斯特準(zhǔn)則對數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有何意義。

圖5.(a)開關(guān)電容電荷注入反沖到基準(zhǔn)電壓源IC (b)使用基準(zhǔn)電壓源緩沖區(qū)隔離反沖效應(yīng)

圖6.由于采樣使帶外干擾源混疊/折回進(jìn)入目標(biāo)頻帶

圖7.使用抗混疊濾波器緩解對帶內(nèi)性能造成的混疊效應(yīng)

緩解折回效應(yīng)的一種解決方案是使用一種稱為抗混疊濾波器(AAF)的低通濾波器來衰減不必要的干擾源幅度，這樣當(dāng)衰減后的干擾源折回帶內(nèi)時(shí)，可以保持所需的信噪比。該低通濾波器通常集成有驅(qū)動器放大器，如圖7所示。

設(shè)計(jì)此放大器時(shí)，最大的挑戰(zhàn)是在快速建立和低通濾波要求之間尋求平衡。另一個(gè)挑戰(zhàn)是該解決方案需要針對每個(gè)應(yīng)用需求進(jìn)行微調(diào)，這就對各個(gè)應(yīng)用采用單個(gè)平臺設(shè)計(jì)造成了限制。ADI有很多抗混疊濾波器工具設(shè)計(jì)，可幫助設(shè)計(jì)人員克服此挑戰(zhàn)。

CTSD ADC的優(yōu)勢：這種抗擾性可由CTSD ADC本身具有的混疊抑制特性解決，這是CTSD ADC獨(dú)有的特性。采用這種技術(shù)的ADC不需要AAF。因此，我們有望直接將CTSD ADC輕松地連接到傳感器，向這個(gè)目標(biāo)又近了一步。

第五步：選擇ADC時(shí)鐘頻率和輸出數(shù)據(jù)速率

接下來，我們來討論兩種傳統(tǒng)ADC類型的時(shí)鐘要求。DTSD是過采樣的ADC，這是指ADC以高于奈奎斯特采樣速率進(jìn)行采樣的ADC。但是，將ADC過采樣數(shù)據(jù)直接提供給外部數(shù)字控制器，大量的冗余信息會使其過載。在過采樣系統(tǒng)中，核心ADC輸出使用片內(nèi)數(shù)字濾波器進(jìn)行抽取，使最終ADC數(shù)字輸出的數(shù)據(jù)速率更低，通常是信號頻率的兩倍。

對于DTSD ADC，設(shè)計(jì)人員需要計(jì)劃為核心ADC提供高頻采樣時(shí)鐘，并設(shè)定所需的輸出數(shù)據(jù)速率。ADC將在這個(gè)所需的ODR和ODR時(shí)鐘上提供最終數(shù)字輸出。數(shù)字控制器使用此ODR時(shí)鐘輸入數(shù)據(jù)。

接下來，我們解決SAR ADC的時(shí)鐘要求，通常遵循奈奎斯特準(zhǔn)則。這里，ADC的采樣時(shí)鐘由數(shù)字控制器提供，時(shí)鐘也充當(dāng)ODR。但是，由于需要有效地控制采樣保持時(shí)序才能獲得ADC的出色性能，因此該時(shí)鐘的時(shí)序靈活性較低，這也表明數(shù)字輸出時(shí)序需要盡可能與這些要求保持一致。

圖8.(a) DTSD ADC和(b) SAR ADC的時(shí)鐘要求

了解這兩種架構(gòu)的時(shí)鐘要求后，可以看到ODR耦合到ADC的采樣時(shí)鐘，這在ODR可以動態(tài)漂移或改變或需要調(diào)諧為模擬輸入信號頻率的許多系統(tǒng)中都是一個(gè)限制因素。

CTSD ADC的優(yōu)勢：CTSD ADC可與新型異步采樣速率轉(zhuǎn)換器(ASRC)耦合，能夠以任何所需的ODR對核心ADC進(jìn)行重新采樣。ASRC還使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)DR精確地設(shè)置為任意頻率，并突破了將ODR限制為采樣頻率倍數(shù)的舊限制。ODR的頻率和時(shí)序要求現(xiàn)在完全屬于數(shù)字接口的功能范圍，并且與ADC采樣頻率無關(guān)。該特性為信號鏈設(shè)計(jì)人員簡化了數(shù)字隔離設(shè)計(jì)。

第六步：與外部數(shù)字控制器接口

傳統(tǒng)上，ADC與數(shù)字控制器通信有兩種類型的數(shù)據(jù)接口模式。一種類型將ADC用作主機(jī)，提供數(shù)字/ODR時(shí)鐘，并決定數(shù)字控制器的時(shí)鐘邊緣，以便輸入ADC數(shù)據(jù)。另一種類型為托管模式（接收器模式），其中數(shù)字控制器是主機(jī)，提供ODR時(shí)鐘，并決定輸入ADC數(shù)據(jù)的時(shí)鐘邊緣。

從第5步開始，如果設(shè)計(jì)人員選擇DTSD ADC，該ADC將提供ODR時(shí)鐘，因此充當(dāng)后接的數(shù)字控制器的主機(jī)。如果選擇了SAR ADC，則數(shù)字控制器需要提供ODR時(shí)鐘，這意味著SAR ADC將始終配置為托管外設(shè)。因此，存在明顯的限制：一旦選擇ADC架構(gòu)，數(shù)字接口就限制為主機(jī)模式或托管模式。目前，無論ADC架構(gòu)如何，都無法靈活地選擇接口。

CTSD ADC的優(yōu)勢：與CTSD ADC結(jié)合的新型ASRC使設(shè)計(jì)人員能夠獨(dú)立配置ADC數(shù)據(jù)接口模式。這為一些應(yīng)用開啟了全新的機(jī)會，在這些應(yīng)用中，無論ADC架構(gòu)如何，都可在適合數(shù)字控制器應(yīng)用的任何模式中配置高性能ADC。

將器件連接起來

圖9顯示了傳統(tǒng)信號鏈的構(gòu)建模塊，其模擬前端(AFE)包含一個(gè)ADC輸入驅(qū)動器、一個(gè)混疊抑制濾波器和一個(gè)可通過CTSD ADC極大簡化的基準(zhǔn)電壓源緩沖區(qū)。圖10a顯示了一個(gè)采用DTSD ADC的示例信號鏈，該信號鏈需要大量的設(shè)計(jì)工作來微調(diào)和確定ADC的數(shù)據(jù)手冊性能。為了簡化客戶流程，ADI提供了參考設(shè)計(jì)，可針對這些ADC的各種應(yīng)用重新使用或重新調(diào)整。

圖10b顯示了具有CTSD ADC及其簡化模擬輸入前端(AFE)的信號鏈，因?yàn)槠銩DC核心在輸入和基準(zhǔn)電壓源端沒有開關(guān)電容采樣器。開關(guān)采樣器移至ADC核心的后一級，使信號輸入和基準(zhǔn)電壓源輸入為純阻性。由此得出了幾乎無采樣混疊的ADC，使其自成其類。此外，這類ADC的信號轉(zhuǎn)換函數(shù)模擬抗混疊濾波器響應(yīng)，這意味著它本身就能衰減噪聲干擾源。利用CTSD技術(shù)，ADC可簡化為一個(gè)簡單的即插即用組件。

總之，CTSD ADC簡化了信號鏈設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)ADC信號鏈具有相同性能水平的系統(tǒng)解決方案，并具有以下優(yōu)勢：

?提供了具有出色通道間相位匹配的無混疊、低延遲信號鏈

?簡化了模擬前端，無需選擇并微調(diào)高帶寬輸入和基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動緩沖區(qū)的額外步驟，可實(shí)現(xiàn)更高的通道密度

?打破了ODR與采樣時(shí)鐘成函數(shù)關(guān)系的障礙

?獨(dú)立控制與外部數(shù)字控制器的接口

?提高了信號鏈可靠性評級，這是外設(shè)組件減少帶來的好處

?減小了尺寸，BOM減少56%，為客戶縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間

本系列的下一篇文章將探討CTSD ADC和ASRC如何幫助簡化信號鏈設(shè)計(jì)。本系列接下來的幾篇文章將更詳細(xì)地介紹CTSD ADC和ASRC的概念，重點(diǎn)說明信號鏈的優(yōu)勢，最后介紹如何利用新產(chǎn)品AD4134的特性。敬請持續(xù)關(guān)注，進(jìn)一步了解有助于簡化設(shè)計(jì)的突破性CTSD和ASRC技術(shù)的更多信息！

圖9.分別采用傳統(tǒng)精密ADC與CTSD ADC的信號鏈構(gòu)建模塊

圖10.使用(a) DTSD技術(shù)與(b) CTSD技術(shù)的示例信號鏈

　　審核編輯：湯梓紅