完整的单电源、16位、100 kSPS PulSAR ADC系统

电路的功能与优势

    大多数系统中，需要在性能与低功耗之间进行权衡。本电路设计的重点是考察部分权衡因素，同时在16位、100 kSPS数据采集系统中实现低功耗（8 mW，典型值）和高性能。

    本电路使用 AD7988-1低功耗(350 μA) PulSAR®模数转换器(ADC)，该器件直接从 ADA4841-1 高性能、低电压、低功耗运算放大器驱动。选择该放大器是因为它具有极佳的动态性能，可采用单电源电压供电且提供轨到轨输出。此外，输入共模电压范围包括负供电轨。

    AD7988-1 ADC需要2.4 V至5.1 V间的外部基准电压。本应用中，选择的基准电压是 ADR4525 精密2.5 V基准电压源。

图1. 基本单端、低电压、低功耗、16位、100 kSPS ADC解决方案

电路描述

    本电路的核心是 AD7988-1 16位、100 kSPS逐次逼近型ADC，采用VDD单电源供电。它内置一个低功耗、高速、16位采样ADC和一个多功能串行端口接口(SPI)。在CNV上升沿，该器件对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从0 V至REF。基准电压(REF)由外部提供，并且可以独立于电源电压(VDD)。

    在为本电路笔记执行的实验中， AD7988-1 评估板与系统演示平台（SDP， EVAL-SDP-CB1Z）接口，ADC SPI兼容串行接口则连接到DSP SPORT接口。ADC SPI接口能够将几个ADC以菊花链形式连结到单三线式总线上。采用独立VIO电源引脚时，它与1.8 V、2.5 V、3 V或5 V逻辑兼容。
AD7988-1 采用10引脚MSOP或10引脚QFN (LFCSP)封装。为方便起见，该电路板采用MSOP封装。

    ADC输入从 ADA4841-1单位增益稳定、低噪声和低失真、轨到轨输出放大器进行缓冲和驱动，该器件通常在1.1 mA的静态电流下工作。此放大器提供2.1 nV/√Hz的低宽带电压噪声和1.4 pA/√Hz的电流噪声，100 kHz时具有极佳的−105 dBc无杂散动态范围(SFDR)。为了在更低频率下保持低噪声环境，10 Hz时放大器具有7 nV/√Hz和13 pA/√Hz的低1/f噪声。

    使 ADA4841-1非常适合单电源应用的主要特性是，它在该应用中可以采用单供电轨供电，同时将可负供电轨接地。放大器输出摆幅可以达到地电平的50 mV范围内，这是本应用可接受的值。请注意，输入共模电压范围从负供电轨扩展至正供电轨的1 V范围内。为容纳目标信号范围（0 V至2.5 V），必须提供1 V裕量；因此本电路中使用4 V供电轨。 ADA4841-1 采用6引脚SOT-23或8引脚SOIC封装。

    本应用中使用的2.5 V基准电压源是 ADR4525 ，属于 ADR45xx 基准电压源系列，可以提供高精度、低功耗、低噪声，且具有±0.01%初始精度、极佳的温度稳定性和低输出噪声。 ADR4525 的低热致输出电压迟滞和低长期输出电压漂移提高了系统性能。700 μA的最大工作电流和500 mV的低压差（最大值）使该器件最适合便携式设备。

    用于本电路中的三个产品的额定工作温度范围均为−40°C至+125°C全工业温度范围。

性能预期

    由于功耗在本应用中是关键，有必要分析每个元件的贡献，以确保在众多可用产品中选择适当的器件。第一步是查看三个选定器件的不同电源电流。
表1中显示了为每个贡献元件计算和测得的典型电源电流。ADC数字接口的VIO电源可以忽略不计，因此不包括在内。测得电流与计算值的比较非常有利；无源元件可能引起小差异，使电源电流略不同于典型数据手册规格。

表1. 计算和测得的电源电流贡献

    使用低值基准电压时， AD7988-1 ADC的交流性能会有所下降。图2中显示了这一性能下降，其中信噪比、信纳比(SINAD)和有效位数(ENOB)均显示为基准电压的函数。请注意，对于2.5 V基准电压，预计SNR性能约为86 dB至87 dB。

图2. AD7988-1 ADC SNR、SINAD和ENOB与基准电压的关系

    电路测量结果如图3所示。86.17 dB的SNR性能与2.5 V基准电压的预计效果相当，如上文图2所示。

图3. 在10 kHz输入音下测得的100 kSPS采样速率的交流性能，SNR = 86.17 dB

常见变化

    PulSAR®系列的其它引脚兼容16位ADC提供更高的采样速率： AD7988-5 (500 kSPS)、 AD7980 (1 MSPS)和 AD7983 (1.33 MSPS)。请注意，采样速率越高，功耗越高。或者，如果需要更高的分辨率，合适的引脚兼容器件有 AD7691 （18位，250 kSPS）、 AD7690 (18-bit, 400 kSPS), AD7982 （18位，1 MSPS差分输入）、 AD7984（18位，1.33 MSPS）。

    对于更高的输入电压范围，请为基准电压源和ADC驱动器选择更高的基准电压和更高的电压供电轨。

    图4中显示了 AD7988-5 （16位，500 kSPS）ADC在相似条件下的动态性能；不过采样速率为500 kSPS。SNR等于86.37dB。

使用500 kSPS AD7988-5 ADC在10 kHz输入音下测得的500 kSPS采样速率的交流性能，SNR = 86.37 dB

添加输入共模电压偏置放大器

    在交流耦合应用中，输入信号必须偏置，以便使其位于ADC输入范围（2.5 V基准电压为0 V至2.5 V）的中心。图5所示电路解决了此共模信号要求。

    许多放大器在此应用中可用于缓冲目的。 AD8031 是一款单电源电压反馈型放大器，具有高速性能，小信号带宽为80 MHz，压摆率为30 V/µs，建立时间为125 ns。该放大器为带容性负载的单位增益稳定型放大器，采用3.3 V单电源时功耗低于2.5 mW。 AD8031 采用5引脚SOT-23、8引脚SOIC、8引脚PDIP和8引脚MSOP封装。在此电路中， AD8031 用于缓冲到达分压器的2.5 V基准电压，该分压器为 ADA4841-1的输入提供所需的1.25 V共模电压。表2中显示了缓冲器使用的额外功率。

图5. 增强型电路，包括共模缓冲器，用于在交流耦合应用中确定输入电压范围的中心

表2. 计算的电源电流贡献，包括VCM缓冲器( AD8031)

图6. 增强型电路，包括共模和基准电压缓冲器

添加基准电压缓冲器

    在不同电路共享基准电压源的应用中，可能需要缓冲基准电压以确保最佳性能。本实例中，使用 AD8032 （ AD8031 的双通道版本）非常有效，如图6所示。如果缓冲ADC基准输入，去耦值可降低至尽可能靠近该器件的10 μF陶瓷芯片电容。

    图7和图8分别显示了 AD7988-1 和 AD7988-5的性能，同时使用 AD8032 放大器建立VCM电平并缓冲基准电压，如图6所示。此电路实施于 EVAL-CN0255-SDPZ 评估板上。

图7.AD7988-1在10 KHZ输入音下测得的交流性能，采样速率100 KSPS

图8.针对类似配置，使用500 KSPSAD7988-5在10 KHZ输入音下测得的交流性能

电路评估与测试

设备要求（可以用同等设备代替）

    • EVAL-CN0255-SDPZ

    • 系统演示板( EVAL-SDP-CB1Z)

    • 函数发生器/信号源，例如这些测试中使用的Audio Precision SYS-2522。

    • 电源，2.5 V及4 V

    • 带USB端口的PC、USB电缆，安装10引脚PulSAR软件

设置与测试

    交流性能测量设置的功能框图如图9所示。将2.5 V和4 V电 源连接至评估板电源引脚。

    为了测量频率响应，按照图9所示连接设备。将Audio PrecisionSYS-2522信号发生器设置为10 kHz频率和2.5Vp-p正 弦波，并具有1.25V直流漂移。使用评估板软件记录数据。

    软件分析是评估板软件的一部分，使用户可以采集并分析 直流和交流性能。

图9.用于测量交流性能的电路测试设置