16位、100 kSPS逐次逼近型ADC系统

连接/参考器件

　　AD7988-1 16位、100 kSPS PulSAR ADC

　　AD8641低功耗、轨到轨输出精密单通道JFET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-0306电路评估板（EVAL-CN0306-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中的电路采用16位、100 kSPS逐次逼近型模数转换器（ADC）系统，集成驱动放大器，针对最高1 kHz输入信号和100 kSPS采样速率、功耗低至7.35 mW的系统而优化。

　　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，推荐80 MHz的ADA4841-1运算放大器（10 V时功耗为12 mW）与AD7988-1 16位逐次逼近型寄存器（SAR） ADC（100 kSPS时功耗为0.7 mW）一同使用。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100 kSPS时为17.35 mW.

　　对于最高1 kHz的输入带宽和100 kSPS的采样速率，AD8641 3MHz运算放大器（10 V时功耗为2 mW）可提供出色的信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）性能，并且在100 kSPS时可将总系统功耗从17.35 mW降低至7.35 mW,降幅达58%.

图1. 使用AD8641低功耗放大器驱动AD7988-1 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AD7988-1 ADC、AD8641放大器和ADR435基准电压源。AD7988-1是一款16位、100 kSPS SAR ADC,其低功耗可随采样速率调整，100 kSPS时功耗为0.7 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AD8641低功耗、精密器件，其电源电流为200 μA,增益带宽积为3 MHz.AD8641可采用5 V至26 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/℃）。100 kSPS时，本电路的总功耗为7.35 mW.信噪比（SNR）为88.5 dBFS,总谐波失真（THD）为-103 dBc,输入频率最高为1 kHz.

　　AD8641配置为单位增益缓冲器，并且它与AD7988-1之间有一个截止频率为93 kHz的RC滤波器（634 Ω，2.7 nF）。滤波器允许使用诸如AD8641等噪声更高的放大器，在28 nV/√Hz下依然具有低得多的功耗。与ADC的规格相比，以更高的噪声换取更低功耗的代价仅是系统的信噪比（SNR）性能下降了2.5 dB.相对于数据手册中推荐的数值（20 Ω），更高的R值（634 Ω）表示AD8641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1 kHz,使得失真较低。

　　对于最高1 kHz的输入，这与AD8641的16位失真性能（THD低于-100 dBc）差不多。超过1 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，相对于正电源电压而言，AD8641需要至少2 V的输入裕量。输出级以轨到轨方式工作。

　　性能结果

　　本电路的目的是在最高1 kHz的给定输入频率范围、100 kSPS的采样速率情况下，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1 kHz输入信号下的电路性能FFT图。信噪比（SNR）为88.5 dB,总谐波失真（THD）为-103 dB.相比91 dB的规格，AD7988-1信噪比（SNR）下降的主要原因是AD8641具有比ADA4841-1的2 nV/√Hz更高的噪声，为28 nV/√Hz.总系统功耗为7.35 mW,其中：ADC为0.7 mW,放大器为2 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58%的功耗，总系统功耗为17.35 mW.

图2. 使用AD8641放大器驱动AD7988-1的系统电路性能

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图3显示系统总谐波失真（THD）以及信噪比（SNR）如何随着输入频率超过~1 kHz而下降。这是由于放大器失真导致的，可从图4中的总谐波失真加噪声（THD+N）与频率的关系曲线看出。

　　图3. AD8641放大器驱动AD7988-1时，总谐波失真（THD）和信噪比（SNR）与输入频率的关系

　　图4. AD8641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

　　AD8641放大器可用于驱动高速、引脚兼容型ADC,如AD7988-5和AD7980,但仅在不超过100 kSPS的较低采样速率下才有效。OP1177放大器能够以双倍的电流（400 μA）驱动AD7988-1,在4 kHz以下具有更佳的失真性能；并且由于噪声更低，从而信噪比（SNR）也更佳（90 dB）。

　　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-CN0306-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

　　●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

　　设置并测试

　　从ADI网站的AD7988-1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。其测量配置的功能框图如图5所示。

　　将9 V壁式电源连接至评估板电源引脚。若要测量频率响应，设备应按图5所示进行连接。将Audio Precision SYS-2522信号发生器设置为1 kHz频率和5Vp-p正弦波，并具有2.5 V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。该软件及其特性见UG-340用户指南。