本應(yīng)用筆記介紹了具有低功耗儀表放大器(INA)結(jié)構(gòu)的逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC),該結(jié)構(gòu)取代應(yīng)變片檢測(cè)電路中的Δ-ΣADC,作為模擬前端。這不僅有助于實(shí)現(xiàn)更好的分辨率,而且可以節(jié)省電池電量并降低成本。
介紹
在精密信號(hào)調(diào)理和測(cè)量應(yīng)用中,Δ-Σ型ADC通常優(yōu)于SAR ADC,因?yàn)樗哂懈叻直媛瘦敵龊透叨燃傻膬?nèi)部模塊,如可編程增益放大器(PGA)或通用輸入輸出(GPIO)基準(zhǔn)電壓源。然而,在某些情況下,三角積分ADC的高分辨率是不需要或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,其高功耗成為一個(gè)缺點(diǎn)。
讓我們以應(yīng)變片傳感器為例,它可用于惠斯通電橋,將目標(biāo)信號(hào)(壓力、負(fù)載、力等)轉(zhuǎn)換為幾毫伏范圍內(nèi)的差分電橋輸出電壓。在這種情況下,將需要具有大增益的放大器作為模擬前端(AFE)。例如,要將具有10mV滿量程輸出的應(yīng)變片傳感器連接到具有2.5V滿量程電壓的Δ-Σ型ADC,需要將PGA配置為具有250增益。這種高增益PGA給AFE增加了顯著的噪聲,將24位Δ-Σ ADC的有效分辨率降低到12位。除了降低分辨率外,固定的高過(guò)采樣率決定了Δ-Σ型ADC的電流消耗,而Δ-Σ ADC的電流消耗可能相當(dāng)高,并導(dǎo)致電池壽命顯著縮短。由于內(nèi)部電路的復(fù)雜性,Δ-Σ型ADC也承擔(dān)了大量成本。
這種方法的替代方案是SAR ADC與高增益INA相結(jié)合,可以消耗更少的功率,具有相似的分辨率,同時(shí)降低解決方案成本。每個(gè)SAR ADC都實(shí)現(xiàn)了兩相跟蹤和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在跟蹤(數(shù)據(jù)采集)階段,SAR ADC消耗的功耗非常低,大部分功耗發(fā)生在轉(zhuǎn)換階段。這使得SAR ADC的功耗隨采樣速率而縮小。在應(yīng)變片檢測(cè)電路中,數(shù)據(jù)采集速率可低至1000sps。在如此低的采樣速率下,一些SAR ADC消耗納瓦的功率。與集成PGA的Δ-Σ型ADC相比,與集成PGA的Δ-Σ型ADC相比,SAR ADC與低功耗INA一起可節(jié)省50%以上的功耗。與Δ-Σ型ADC一樣,SAR ADC的性能受到INA的限制。憑借現(xiàn)代高性能、低噪聲INA,SAR ADC能夠以有效的14至16位分辨率測(cè)量應(yīng)變片檢測(cè)信號(hào),其性能與24位Δ-Σ型ADC相似甚至更好。
總之,SAR ADC+INA結(jié)構(gòu)是電池供電應(yīng)變傳感器AFE的更好選擇,因?yàn)樗哂邢嗨频木?,降低了功耗和成本。在由電池供電的?yīng)用中,功耗始終是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)考慮使用低功耗、低噪聲、高精度INA和SAR ADC,而不是傳統(tǒng)的Δ-Σ型ADC。
電路詳細(xì)說(shuō)明
SAR ADC+INA的結(jié)構(gòu)如圖1所示。惠斯通電阻電橋用于表示應(yīng)變片檢測(cè)電路;RC濾波器放置在INA和SAR ADC之間。INA的差分輸入可以連接以直接橋接輸出。SAR ADC輸入應(yīng)為單端或差分輸入,負(fù)輸入接地。
正如我們已經(jīng)討論過(guò)的,INA的噪聲性能限制了SAR ADC的有效分辨率。例如,對(duì)于噪聲密度為100nV/和帶寬為3kHz的INA,INA輸入端的總帶寬噪聲為5.48μV有效值.當(dāng)INA配置為3VADC輸入范圍的增益為100時(shí),信噪比(SNR)為65.7dB。如果我們選擇噪聲密度為的INA 40nV/ ,信噪比為73.5dB。因此,40nV左右的噪聲密度。
足以實(shí)現(xiàn)11至12位分辨率。
為了節(jié)省更多功率,請(qǐng)注意INA和SAR ADC。對(duì)于INA,低靜態(tài)電流很重要。需要靜態(tài)電流低于 100μA 的 INA。正如我們已經(jīng)討論過(guò)的,SAR ADC在較慢的采樣速率下消耗更少的功率。有許多SAR ADC具有此功能。我們的目標(biāo)是使用電源電流范圍為10μA(包括AVDD和OVDD)的SAR ADC。因此,SAR ADC+INA的總電流消耗約為110μA。相比之下,目前市場(chǎng)上所有采用PGAS的Δ-Σ型ADC消耗的電流都超過(guò)300μA。
根據(jù)我們?yōu)榇藨?yīng)用程序列出的要求找到合適的 INA 聽(tīng)起來(lái)很容易,但是,當(dāng)您進(jìn)行研究時(shí),您會(huì)發(fā)現(xiàn)選擇很少。功耗是瓶頸。由于噪聲性能相似,大多數(shù)INA在1mA范圍內(nèi)消耗電流。
噪聲密度,PGA增益為100,功耗僅為65μA,可以構(gòu)建這樣的電路。MAX41400的另一個(gè)特點(diǎn)是其可編程增益,在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保證增益誤差。傳統(tǒng)的INA通常使用單個(gè)外部電阻和兩個(gè)內(nèi)部電阻來(lái)設(shè)置增益。雖然用戶可以使用不同值的外部電阻來(lái)調(diào)節(jié)增益,但外部元件總是會(huì)增加額外的增益誤差和增益漂移。使用內(nèi)部電阻可提供最佳的精度和溫度范圍內(nèi)的增益漂移。MAX41400在所有增益選項(xiàng)中的增益誤差低至0.05%,溫度漂移為5ppm/°C。它還提供多達(dá) 8 種不同的增益設(shè)置,并且可以即時(shí)更改。
圖1.SAR ADC+INA結(jié)構(gòu)。
從工作臺(tái)測(cè)量
如前所述,SAR ADC+INA非常適合采用紐扣電池的應(yīng)變片檢測(cè)應(yīng)用,如自行車功率計(jì)。應(yīng)變片傳感器安裝在曲柄臂上以測(cè)量其扭矩。現(xiàn)有解決方案使用具有內(nèi)部128 PGA增益的24位Δ-Σ ADC??傆行Х直媛蕿?2位,功耗為305μA。我們用SAR+MAX41400組合取代了Δ-Σ型ADC,作為AFE。在工作臺(tái)上進(jìn)行并完成實(shí)驗(yàn)以比較性能。
我們使用3.2V鋰離子電池作為電源,為MAX41400、SAR ADC、基準(zhǔn)電壓源和微控制器供電。我們使用信號(hào)發(fā)生器提供差分信號(hào)來(lái)表示應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)。微控制器向SAR ADC發(fā)送命令以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,以1000sps的采樣率從SAR ADC收集數(shù)據(jù)。表 1 中列出了每個(gè)部分的功耗。
采樣率 | 100SPS | 200SPS | 500SPS | 1000SPS | 1200SPS |
MAX41400 | 71μA | 71μA | 71μA | 71μA | 71μA |
合成孔徑雷達(dá) | 2.1μA | 2.1μA | 4.7μA | 8.2μA | 9.6μA |
電壓基準(zhǔn) | 0.05μA | 0.1μA | 0.2μA | 0.35μA | 0.35μA |
總電流 | 73.15μA | 73.8μA | 75.9μA | 79.55μA | 80.95μA |
總功率 | 234μW | 236μW | 20014 | 255μW | 21:14 |
注意:總功耗基于3.2V電壓計(jì)算。 |
交流性能通過(guò)11Hz正弦波測(cè)試,幅度為27mV,MAX41400 PGA增益配置為100。ENOB 以不同的采樣率計(jì)算。
采樣率 | 100SPS | 200SPS | 500SPS | 1000SPS | 1200SPS |
ENOB | 11.43位 | 11.45位 | 11.78位 | 11.77位 | 11.69位 |
注意:ENOB 是有效位數(shù)。 |
我們測(cè)試了兩種分辨率不同的SAR ADC,并在表3中總結(jié)了所有三種解決方案。比較電流消耗和有效分辨率。與Δ-Σ型ADC相比,帶有SAR ADC的MAX41400可以實(shí)現(xiàn)更有效的分辨率,并且具有更低的電流消耗。
參數(shù) | Δ-Σ ADC | MAX41400 + SAR1 | MAX41400 + SAR2 |
分辨率 | 24位 | 18位 | 14位 |
電流消耗 (@ 1Ksps) | 303uA | 79.55微安 | 188uA |
有效分辨率 (@1Ksps) | 12.3位 (G=128V/V) | 16.12位 (G=100V/V) | 13.08位 (G=100V/V) |
結(jié)論
Δ-Σ型ADC以精密測(cè)量而聞名;然而,高增益PGA通常會(huì)限制其性能。INA與SAR ADC相結(jié)合,在功耗至關(guān)重要的情況下是更好的選擇。選擇正確的INA時(shí)需要小心。MAX41400具有低功耗、低噪聲和可編程增益,非常適合前端檢測(cè)。
審核編輯:郭婷
-
放大器
+關(guān)注
關(guān)注
143文章
13512瀏覽量
212746 -
SAR
+關(guān)注
關(guān)注
3文章
409瀏覽量
45823 -
adc
+關(guān)注
關(guān)注
97文章
6351瀏覽量
543411
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論