16位、300 kSPS低功耗逐次逼近型ADC系统解析

连接/参考器件

AD7988-5 16位、500 kSPS PulSAR ADC

OP1177精密、低噪声、低输入偏置电流运算放大器

ADR435超低噪声XFET® 5.0 V基准电压源，具有吸电流和源电流能力

评估和设计支持

电路评估板

CN-0305电路评估板(EVAL-CN0305-SDPZ)

系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1中的电路是一个16位、300 kSPS逐次逼近型模数转换器(ADC)系统，其驱动放大器针对最高4 kHz输入信号和300 kSPS采样速率、10.75 mW低功耗系统而优化。

这种方法对于便携式电池供电、要求低功耗的多通道应用极为有用。它还为那些两次转换突发之间的大部分时间ADC都处于空闲状态的应用提供了优势。

通常，选择高性能逐次逼近型ADC的驱动放大器处理宽范围的输入频率。然而，当某个应用需要更低的采样速率时，便可节省大量功耗，因为降低采样速率会相应地降低ADC功耗。

若要完全利用通过降低ADC采样速率使功耗下降的优势，则需要使用低带宽、低功耗放大器。

例如，针对最高输入约为100 kHz并搭配AD7988-5 16位逐次逼近型寄存器(SAR) ADC(500 kSPS时功耗为3.5 mW，300 kSPS时功耗为2.1 mW)的应用，推荐使用ADA4841-1 80 MHz的运算放大器(10 V时功耗为12 mW)。包括ADR435基准电压源(7.5 V时功耗为4.65 mW)在内的总系统功耗在300 kSPS时为18.75 mW。

对于输入带宽低于4 kHz以及采样速率低于300 kSPS的情况，OP1177 1.3 MHz运算放大器(10 V时功耗为4 mW)可提供出色的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)性能，并且在300 kSPS时可将总系统功耗从18.75 mW降低至10.75 mW，降幅达43%。

图1. 使用OP1177低功耗放大器驱动AD7988-5 ADC的系统电路图(原理示意图：未显示所有连接)

电路描述

该电路包含AD7988-5 ADC、OP1177放大器和ADR435基准电压源。AD7988-5是一款16位、500 kSPS SAR ADC，其低功耗可随采样速率调整，500 kSPS时功耗为3.5 mW。除了低功耗，它还具有业界领先的交流性能：SNR = 91 dB，THD = −114 dBc。

驱动放大器采用OP1177低功耗、精密器件，其电源电流为400 μA，增益带宽积为1.3 MHz。OP1177可采用5 V至30 V的电源供电。ADC的基准电压源采用ADR435，这是一款高精度、低噪声、5 V XFET基准电压源。低电源电流(620 μA)时，ADR435具有极低的温度系数(3 ppm/°C)。300 kSPS时，本电路的总功耗为10.75 mW。信噪比(SNR)为90.6 dBFS，总谐波失真(THD)为−102 dBc，输入频率最高为4 kHz。

OP1177配置为单位增益缓冲器，并且它与AD7988-5之间有一个截止频率为295 kHz的RC滤波器(200 Ω，2.7 nF)。滤波器允许使用诸如OP1177等噪声更高的放大器，在8nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。以更高的噪声换取更低的功耗，而其代价仅是系统的信噪比(SNR)性能下降了0.4 dB。相对于数据手册中推荐的数值(20 Ω)，更高的R值(200 Ω)表示OP1177可以驱动2.7 nF的大容量输入电容。更高的R值可将最大输入带宽限制为数kHz，使得失真较低。

对于最高5 kHz的输入，这与OP1177的16位失真性能(THD低于−100 dBc)差不多。超过5 kHz会加剧失真，因此不建议在更高的输入频率下使用该电路，而由于较长的建立时间，亦不建议在多路复用器应用中使用该放大器。注意，OP1177需要至少1.5 V的输入上裕量/下裕量，并且设置电源时需要1 V输出上裕量/下裕量。另外需注意的是，OP1177无法用来驱动300 kSPS以上的AD7988-5，因为驱动器建立时间不足以满足更短的ADC采集时间(见图3)。

性能结果

本电路的目的是在输入频率低于4 kHz、采样速率为300 kSPS的情况下，以尽可能最低的ADC驱动器功耗水平提供良好的交流性能。图2显示4 kHz输入时的电路性能FFT图。信噪比(SNR)为90.6 dBFS，总谐波失真(THD)为−102 dBc。相比91 dBFS的规格，AD7988-5的信噪比(SNR)略微下降的主要原因是OP1177具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz稍高的噪声，为8 nV/√Hz。总系统功耗为10.75 mW，其中：ADC为2.1 mW(采样速率为300 kSPS)，放大器为4 mW，基准电压源为4.65 mW。这说明相对于ADA4841-1的12 mW，它可降低43%的功耗，总系统功耗为18.75 mW。

图2. 使用OP1177放大器驱动AD7988-5的系统电路性能

图3显示在超过300 kSPS的较高采样速率下，系统的总谐波失真(THD)如何增加，以及信噪比(SNR)如何下降。基于这个理由，让ADC在300 kSPS或更低条件下工作，可获得最佳性能。

图3. OP1177放大器驱动AD7988-5时，总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)与ADC采样速率的关系

图4显示随着输入频率超过4 kHz，系统总谐波失真(THD)增加，以及信噪比(SNR)下降。这是由于放大器失真导致的，可从图5中的总谐波失真加噪声(THD+N)与频率的关系曲线看出。

图4. OP1177放大器驱动AD7988-5时，总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)与输入频率的关系

图5. OP1177放大器的总谐波失真加噪声(THD+N)与输入频率的关系

常见变化

OP1177放大器可用于驱动引脚兼容型ADC，如将AD7988-1驱动至最高100 kSPS，以及将AD7980驱动至最高300 kSPS。AD8641放大器能够以一半的功耗(200 μA)驱动AD7988-5;但其采样速率最高仅为100 kSPS，并且交流性能下降、输入频率范围也更窄(参见CN-0306电路笔记)。

电路评估与测试

设备要求(可以用同等设备代替) 需要以下设备：

· EVAL-CN0305-SDPZ评估板

· 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

· EVAL-CN0305-SDPZ评估板自带的9 V壁式电源

· 带USB端口的PC、USB电缆，并且已安装10引脚PulSAR软件

设置与测试

从ADI网站的AD7988-5产品页面下载10引脚PulSAR软件，并使用UG-340用户指南中的安装指南进行安装。测量设置的功能框图如图6所示。将9 V壁式电源连接至评估板的电源引脚。若要测量频率响应，设备应按图6所示进行连接。将Audio Precision SYS-2522信号发生器设置为4 kHz频率和5 V p-p正弦波，并具有2.5 V直流漂移。在软件窗口中，设置ADC采样速率为300 kSPS。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。该软件及其特性详见UG-340用户指南。

图6. 测试设置功能框图