如何用低功耗ADC实现“绿色”采集

很久以前，精确的电气测量是在原始实验室环境中进行的，在这类环境中具有充足的电力供应，时间分配也能确保极高的准确性。而今天，人们希望将仪表携带到现场，让其靠电池电源运行，甚至立即实现更高的准确性。模拟电路与数字电路不同，它不会从较小几何尺寸产生的尺度效应中受益。如果功率消耗较少，那么噪声（精确测量的大敌）实际上将会增加。可以理解，随着新低压工艺的出现，信噪比（SNR）将变得更差，因为信号幅度在减小。那么，在提高性能的同时，模拟信号链怎样才能"走向绿色"呢？

　　很多高速仪表的核心是一个高速模数转换器（ADC）。例如：金属物体的非破坏性测试就采用了一种类似于医疗超声的成像方法，采用这种方法时，数字图像传感器为高速ADC馈送信号。在某些情况下会有很多个通道，因此，尺寸和功耗成为关键。便携式仪表显然需要节省电池电力，不过，即使是固定安装设备，也需关注功率（无论是应对"绿色"倡议，还是仅仅要在外形紧凑的仪表中最大限度地降低热耗散）。ADC的发展趋势是迁移至更小的工艺尺寸，并使用1.8V电源以降低功耗，但要实现与类似3V器件同样或者更高的性能，就需要更明智的ADC设计。

　　凌力尔特（Linear）公司开发出了几款引脚兼容，采样率高达125Msps的1.8V超低功耗12位/14位和16位ADC系列，这些器件以非常低的功率等级提供了卓越的动态性能。这些新型器件无需减少功能或者提高前端放大器要求，就可以极大地降低功耗。由于可以选用单、双、4和8通道ADC,因此客户可以实现较高的通道密度，同时还可确保系统中的热耗散最低。不过，ADC只是该链路中的一部分。整个信号链必须得到良好匹配，以使仪表顺利工作。

　　匹配信号通路设计

　　对于需要16位性能和超低功耗以延长电池寿命的应用而言，LTC2195系列是理想的解决方案。便携式仪表就是一个完美的例子。在很多应用中，来自传感器的信号必须在ADC采样前进行调节。就这项任务而言，选择与ADC性能匹配的低噪声、低功耗放大器非常重要，例如：可以选择LTC6406,它与LTC2195系列可以良好匹配。

　　LTC6406是一款具有低噪声（在输入端为1.6nV/√Hz）和高线性度（在20MHz时为+44dBm OIP3）的全差分放大器，它采用小型的3mm×3mm QFN封装。由外部电阻设定增益，从而为用户提供了最大的设计灵活性。低功耗（3.3V供电时为59mW）最大限度地降低了对系统功耗预算的影响。这款放大器同样具有下延至0.5V的共模电压范围，这意味着它可以与LTC2195实现无缝配对（LTC2195具有0.9V的标称共模电压）。

　　一般情况下，数字传感器输出为单端。这就需要在ADC采样之前，进行单端至差分转换。如果DC的响应也需要进行转换，那么就不能使用变压器。这种情况下就需要诸如LTC6406这种能够进行单端至差分转换的低噪声放大器。

　　在该放大器之后必须放置一个滤波器，以降低放大器的宽带噪声，并将放大器输出与ADC输入隔离（ADC输入将产生与采样电容换向有关的共模干扰）。滤波器有助于衰减这类干扰，从而保护放大器。高阶滤波器则并不需要，因为放大器的噪声相当低。转折频率为12MHz的滤波器用在此处就已足够，它不会降低ADC的性能。

　　最终的滤波器应被设计为仅降低放大器的宽带噪声，而不是作为具有陡峭过渡带的选择性滤波器。滤波器的陡峭过渡带会增加插入损耗，并降低放大器的OIP3,这会导致传感器信号失真。


　　图1采用的ADC是LTC2195.该器件是一款16位125Msps,同步采样、双通道ADC,它采用1.8V单电源工作。该器件以每通道216mW功耗，实现了与消耗1.25W功率的ADC几乎相同的SNR性能。LVDS串行接口允许该器件占用不到以前ADC一半的电路板空间，同时，由于减少了I/O数，还允许使用更小的FPGA.该电路与LTC6406结合，仅消耗275mW功率，这对于多通道系统而言是一个明显优势。同时，该电路可非常容易地应用于该系列14位和12位器件，或是以低得多的采样率采样的转换器，从而进一步节省功耗。

　　图2显示了此电路的性能。结果显示，在低输入频率时，放大器的线性度不会降低ADC的SFDR,同时，SNR也保持在76.5dB不变。当以单位增益使用时，LTC6406不会降低LTC2195的SNR或SFDR.
 

 

图2:当FS=125Msps和FIN=1MHz时，图1电路的FFT结果。幅度（dB），频率（MHz）

本文小结

　　无论对固定安装还是对便携设备而言，向"绿色"仪表和测试设备发展的趋势不可避免。随着性能水平提高和功耗要求下降，匹配整个信号链元器件正变得非常重要。就16位性能而言，LTC2195这款ADC是需要关注功率和高分辨率传感器应用的理想选择，而LTC6406则是一款良好匹配的驱动器放大器，该放大器不会使LTC2195性能打折扣，而且其功率要求也很低。通过使用一个相对低阶的滤波器来降低放大器的宽带噪声，该ADC的数据表性能可非常容易地实现。LTC2195与LTC6406的配对组合适用于任何便携式图像传感器应用，并提供了卓越的性能和低功耗。