CN0306 針對(duì)高達(dá) 1 kHz 低于奈奎斯特頻率輸入信號(hào)優(yōu)化的16 位、100 kSPS 低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

CN0306 AD8641 放大器可用于驅(qū)動(dòng)高速、引腳兼容型ADC，如AD7988-5 和 AD7980，但僅在不超過100 kSPS的較低采樣速率下才有效。 OP1177放大器能夠以雙倍的電流(400 A)驅(qū)動(dòng)AD7988-1，在4 kHz以下具有更佳的失真性能；并且由于噪聲更低，從而信噪比(SNR)也更佳(90 dB)。 設(shè)備要求(可以用同等設(shè)備代替) 需要以下設(shè)備： EVAL-CN0306-SDPZ 評(píng)估板 系統(tǒng)演示板(EVAL-SDP-CB1Z) 函數(shù)發(fā)生器/信號(hào)源，例如這些測(cè)試中使用的Audio Precision SYS-2522 評(píng)估板自帶的9 V壁式電源 帶USB端口的PC、USB電纜，并且已安裝10引腳PulSAR 軟件 設(shè)置并測(cè)試 從ADI網(wǎng)站的AD7988-1產(chǎn)品頁面下載10引腳PulSAR軟件， 并使用UG-340用戶指南中的安裝指南進(jìn)行安裝。其測(cè)量配 置的功能框圖如圖5所示。 將9 V壁式電源連接至評(píng)估板電源引腳。若要測(cè)量頻率響 應(yīng)，設(shè)備應(yīng)按圖5所示進(jìn)行連接。將Audio Precision SYS-2522 信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為1 kHz頻率和5 V p-p正弦波，并具有2.5 V 直流漂移。使用評(píng)估板軟件記錄數(shù)據(jù)。軟件分析是評(píng)估板 軟件的一部分，使用戶可以采集并分析直流和交流性能。 該軟件及其特性見UG-340用戶指南。 該電路包含AD7988-1 ADC、AD8641放大器和ADR435基準(zhǔn)電壓源。AD7988-1是一款16位、100 kSPS SAR DC ，其低功耗可隨采樣速率調(diào)整，100 kSPS時(shí)功耗為0.7 mW。除了低功耗，它還具有業(yè)界領(lǐng)先的交流性能：SNR = 91 dB，THD = ?114 dBc。 驅(qū)動(dòng)放大器采用AD8641低功耗、精密器件，其電源電流為200 A，增益帶寬積為3 MHz。AD8641可采用5 V至26 V的電源供電。ADC的基準(zhǔn)電壓源采用ADR435，這是一款高精度、低噪聲、5 V XFET基準(zhǔn)電壓源。低電源電流(620 A)時(shí)，ADR435具有極低的溫度系數(shù)(3 ppm/°C)。100 kSPS時(shí)，本電路的總功耗為7.35 mW。信噪比(SNR)為88.5 dBFS，總諧波失真(THD)為-103 dBc，輸入頻率最高為1 kHz。 AD8641配置為單位增益緩沖器，并且它與AD7988-1之間有一個(gè)截止頻率為93 kHz的RC濾波器(634 ，2.7 nF) 。濾波器允許使用諸如AD8641等噪聲更高的放大器，在28 nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。與ADC的規(guī)格相比，以更高的噪聲換取更低功耗的代價(jià)僅是系統(tǒng)的信噪比(SNR)性能下降了2.5 dB。相對(duì)于數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的數(shù)值(20 )，更高的R值(634 )表示AD8641可以驅(qū)動(dòng)2.7 nF的大容量輸入電容。更高的R值可將最大輸入帶寬限制為1 kHz，使得失真較低。 對(duì)于最高1 kHz的輸入，這與AD8641的16位失真性能(THD低于?100 dBc)差不多。超過1 kHz會(huì)加劇失真，因此不建議在更高的輸入頻率下使用該電路，而由于較長(zhǎng)的建立時(shí)間，亦不建議在多路復(fù)用器應(yīng)用中使用該放大器。注意，相對(duì)于正電源電壓而言，AD8641需要至少2 V的輸入裕量。輸出級(jí)以軌到軌方式工作。 性能結(jié)果 本電路的目的是在最高1 kHz的給定輸入頻率范圍、100 kSPS的采樣速率情況下，以盡可能最低的ADC驅(qū)動(dòng)器功耗水平提供良好的交流性能。圖2顯示1 kHz輸入信號(hào)下的電路性能FFT圖。信噪比(SNR)為88.5 dB，總諧波失真(THD)為?103 dB。相比91 dB的規(guī)格，AD7988-1信噪比(SNR)下降的主要原因是AD8641具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz更高的噪聲，為28 nV/√Hz?？傁到y(tǒng)功耗為7.35 mW，其中：ADC為0.7 mW，放大器為2 mW，基準(zhǔn)電壓源為4.65 mW。這說明相對(duì)于ADA4841-1的12 mW，它可降低58%的功耗，總系統(tǒng)功耗為17.35 mW。 圖2. 使用AD8641放大器驅(qū)動(dòng)AD7988-1的系統(tǒng)電路性能 ? 圖3顯示系統(tǒng)總諧波失真(THD)以及信噪比(SNR)如何隨著輸入頻率超過~1 kHz而下降。這是由于放大器失真導(dǎo)致的，可從圖4中的總諧波失真加噪聲(THD+N)與頻率的關(guān)系曲線看出。 圖3. AD8641放大器驅(qū)動(dòng)AD7988-1時(shí)，總諧波失真(THD)和信噪比(SNR)與輸入頻率的關(guān)系 ? 圖4. AD8641放大器的總諧波失真加噪聲(THD+N)與輸入頻率的關(guān)系 ? CN0306 針對(duì)高達(dá) 1 kHz 低于奈奎斯特頻率輸入信號(hào)優(yōu)化的16 位、100 kSPS 低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖1中的電路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)系統(tǒng)，集成驅(qū)動(dòng)放大器，針對(duì)最高1 kHz輸入信號(hào)和 100 kSPS采樣速率、功耗低至7.35 mW的系統(tǒng)而優(yōu)化。 通常，選擇高性能逐次逼近型ADC的驅(qū)動(dòng)放大器處理寬范 圍的輸入頻率。然而，當(dāng)某個(gè)應(yīng)用需要更低的采樣速率 時(shí)，便可節(jié)省大量功耗，因?yàn)榻档筒蓸铀俾蕰?huì)相應(yīng)地降低 ADC功耗。 若要完全利用通過降低ADC采樣速率使功耗下降的優(yōu)勢(shì)， 則需要使用低帶寬、低功耗放大器。 例如，推薦80 MHz的ADA4841-1 運(yùn)算放大器(10 V時(shí)功耗為 12 mW)與AD7988-1 16位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC(100 kSPS時(shí)功耗為0.7 mW)一同使用。包括ADR435 基準(zhǔn)電壓源 (7.5 V時(shí)功耗為4.65 mW)在內(nèi)的總系統(tǒng)功耗在100 kSPS時(shí)為 17.35 mW。 對(duì)于最高1 kHz的輸入帶寬和100 kSPS的采樣速率，AD8641 3 MHz運(yùn)算放大器(10 V時(shí)功耗為2 mW)可提供出色的信噪 比(SNR)和總諧波失真(THD)性能，并且在100 kSPS時(shí)可將 總系統(tǒng)功耗從17.35 mW降低至7.35 mW，降幅達(dá)58%。 圖1. 使用AD8641低功耗放大器驅(qū)動(dòng)AD7988-1 ADC的系統(tǒng)電路圖(原理示意圖：未顯示所有連接) ? cn0306 CN0306 | circuit note and reference circuit info 針對(duì)高達(dá) 1 kHz 低于奈奎斯特頻率輸入信號(hào)優(yōu)化的16 位、100 kSPS 低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) | Analog Devices 圖1中的電路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)系統(tǒng)，集成驅(qū)動(dòng)放大器，針對(duì)最高1 kHz輸入信號(hào)和 100 kSPS采樣速率、功耗低至7.35 mW的系統(tǒng)而優(yōu)化。

這種方法對(duì)于便攜式電池供電、要求低功耗的多通道應(yīng)用 極為有用。它還為那些兩次轉(zhuǎn)換突發(fā)之間

• 16位、100kSPS SAR ADC系統(tǒng)
• 優(yōu)化低功耗驅(qū)動(dòng)放大器
• 輸入信號(hào)最高可達(dá)1kHz

(analog)