怎樣得到高性能 SAR ADC 的所有代碼

凌力爾特具有 >101dB SNR 的 18 位 SAR ADC 新系列一定令你振奮吧，誰(shuí)會(huì )不振奮呢? 不過(guò)你的付出得到所希望的回報了嗎? 為了實(shí)現異常寬的動(dòng)態(tài)范圍，你需要確保在信號最大時(shí)，利用該 ADC 的整個(gè)滿(mǎn)標度范圍。換句話(huà)說(shuō)，你需要運用所有代碼。怎樣才能做到這一點(diǎn)呢?

ADC 信噪比 (SNR) 的定義是，ADC 可以處理的最大信號與該 ADC 噪聲層之比。為了實(shí)現高達 102dB 的 SNR，LTC2379 系列規定了 10Vpp 的差分輸入范圍，這意味著(zhù)兩個(gè)輸入每一個(gè)都可以在 0V 至 5V 范圍內擺動(dòng)。

在 ADC 前面會(huì )有一個(gè)放大器。該放大器的作用是充當一個(gè)良好的電壓源，以給 ADC 的采樣電容充電。ADC 輸入是放大器輸出，因此，針對從 0V 至 5V 擺動(dòng)的 ADC 輸入，該放大器的輸出必須在 0V 至 5V 范圍內擺動(dòng)。

如果有范圍很寬的電源軌可用，那么事情就很容易。例如，也許你已經(jīng)有部分前端靠 ±15V 的電源運行。在這種情況下，任何靠這種軌運行的運算放大器，其輸出都可以在 0V 和 5V 之間擺動(dòng)。你可以使用 LT1468 實(shí)現極好的 DC 準確度和快速穩定時(shí)間，或者使用 LT1124 實(shí)現非常低的漂移和低的 1/f 噪聲，還可以使用封裝非常小的 LT6011 實(shí)現微功率運算放大器。

如果你不喜歡使用 ±15V 這種范圍很寬的電源，但仍然想要在 0V 至 5V 的整個(gè)范圍內擺動(dòng)，那么你可以?xún)H針對最后一級放大器提供特殊的電源軌，例如 -2V 至 +7V。驅動(dòng) LTC2379-18 的 LT6350 的參考設計準確地做到了這一點(diǎn) (參見(jiàn)圖 1)。用 +7V 電源給 5V 基準供電也很方便。

圖 1：通過(guò)用 +7V 至 -2V 的電源給 LT6350 供電，可以為每個(gè)ADC 輸入從
0V 至 5V 擺動(dòng)提供大量空間。這是 DC1783A 演示電路板上演示的缺省參考設計。

不過(guò)，如果你想用單一 5V 電源軌給放大器供電，會(huì )發(fā)生什么情況呢? 你也許認為，利用軌至軌運算放大器，剛好有足夠的空間以擺動(dòng)在 0V 至 5V，但實(shí)際上你是做不到的。軌至軌輸出級并非是真正軌至軌的。這種輸出級充其量也只能達到與每個(gè)軌相差約 10mV 的電壓，而且這還是在硬限幅的情況下實(shí)現的，有時(shí)還會(huì )導致較慢的飽和恢復時(shí)間。如果需要良好的線(xiàn)性度 (低失真)，那么輸出電壓通常應該與每個(gè)軌相距至少數百毫伏。例如，新的低功率差分運放 LTC6362 (參見(jiàn)圖 2) 用單一 5V 電源工作。其輸出可以擺動(dòng)至與任一電源軌相差約 100mV 的范圍，該器件在與任一軌相差 250mV 以?xún)葧r(shí)，保持 >110dB 的線(xiàn)性度。如果你設計系統時(shí)，讓感興趣的最大信號不超過(guò)這個(gè)范圍，那么就運用了至少 90% 的 ADC 代碼，這意味著(zhù)，你實(shí)現了與所申明的動(dòng)態(tài)范圍相差 1dB 的范圍。在很多情況下，這就是最好的解決方案了。實(shí)際上，這會(huì )讓人安心，因為你知道放大器保證不會(huì )超過(guò) (或惡化、損害) ADC 的輸入范圍。這自然而然起到了保護作用。

圖 2：即使每個(gè)輸出擺動(dòng)至與最接近的軌相差 250mV 以?xún)葧r(shí)，LTC6362 差分運算放大器仍然保持 >110dB 的線(xiàn)性度。這給以缺省模式運行的 LTC2397-18 ADC 提供了 -1dBFS 的擺幅。
如果以數字增益壓縮 (DGC) 模式配置 ADC，那么為了仍然運用該 ADC 的所有代碼，LTC6362 的輸出僅需要 8Vpp 的差分擺幅。

LTC2379 系列提供稱(chēng)為數字增益壓縮 (DGC) 的創(chuàng )新性功能。接通這個(gè)功能時(shí)，ADC 將等于基準電壓 10% 至 90% 的電壓擺幅視為滿(mǎn)標度。以這種方式工作時(shí)，采用一個(gè) 5V 基準，放大器輸出僅需要在 0.5V 至 4.5V 范圍內擺動(dòng)，以及仍然可以使用 18 位 ADC 的所有 262,144 個(gè)代碼。你可以相應擴展前端增益，并以 18 位分辨率獲得滿(mǎn)標度，同時(shí)放大器僅用單一 5V 電源運行。即使用上了所有代碼，動(dòng)態(tài)范圍仍然會(huì )縮小一點(diǎn)，因為模擬電壓擺幅從 10Vpp 減小到了 8Vpp，同時(shí)熱噪聲仍然保持不變。就 18 位 ADC 而言，量化噪聲非常小，以至于僅熱噪聲才需要重視，因此在數字增益壓縮模式，會(huì )損失大約 2dB 的 SNR。就 16 位 ADC 而言，在數字增益壓縮模式僅損失 1dB SNR，因為你還會(huì )從相應減小的量化噪聲中受益。

單端 (或偽差分) LTC2369 系列不支持數字增益壓縮，這是故意為之的，因為就單端單極性信號而言，接近零的性能通常是最重要。當信號很小時(shí)，你恰恰最重視高性能 ADC 的精細分辨率和低噪聲性能。就差分 ADC 而言，當兩個(gè)輸入相等時(shí)，就得到了“零”。就單極性單端 ADC 而言，當輸入信號接地時(shí)，得到“零”。因此，為了實(shí)現這種接地連接，你的確需要放大器能擺動(dòng)至地。如果沒(méi)有外部負電源可用，那么 LTC6360 可以用來(lái)解圍。這款低噪聲、DC 準確的高速運算放大器內部包括一個(gè)內置的充電泵，該充電泵在芯片上產(chǎn)生一個(gè)小的負偏置電壓，以給輸出級供電。采用這種方式，輸出可以完全擺動(dòng)至 0V，而不會(huì )接近失真或限幅狀態(tài)。在高壓端，LTC6360 的輸出可以擺動(dòng)至大約 4.5V。你或者可以將這定義為最大信號，并滿(mǎn)足在 5V 基準的滿(mǎn)標度之 1dB 內，或者使用 4.096V 基準并在滿(mǎn)標度范圍內擺動(dòng)。后一種系統完全靠單一 5V 電源工作，甚至包括基準本身 (參見(jiàn)圖 3)。

圖 3：LTC6360 運算放大器包括一個(gè)內置的超低噪聲充電泵，該充電泵允許輸出完全擺動(dòng)至 0V，而不會(huì )產(chǎn)生任何失真跡象。采用這種方式，可以開(kāi)發(fā)一個(gè)徹底的單電源系統，
該系統仍然可以向 LTC2379-18 偽差分 ADC 提供相應于滿(mǎn)標度(包括零) 范圍擺動(dòng)的電壓。這個(gè)例子使用了一個(gè) 4.096V 基準，以便 LTC6655 基準 IC 也可以用 5V 模擬電源供電。

以上所有內容均探討的是驅動(dòng) ADC 的運算放大器的輸出擺幅。下面，我們應該把注意力轉移到輸入擺幅限制上了。

有時(shí)，你想讓最后一級運算放大器做的全部事情就是緩沖信號并將信號輸入到 ADC，而不提供任何增益或電平移動(dòng)。就一個(gè)配置為單位增益的運算放大器而言，輸入擺幅與輸出是一樣大的。這里的問(wèn)題仍然是，如果你有范圍很寬的電源軌可用，例如 ±15V 或 -2V 至 +7V，那么不存在任何問(wèn)題。但是，如果你想用單一 5V 電源讓運算放大器工作，那么有可能產(chǎn)生一種想法，即認為所需做的所有工作僅是，在很多軌至軌輸入運算放大器中選出一個(gè)，然后一切都將正常工作。不過(guò)，軌至軌輸入級實(shí)際上是由兩個(gè)并聯(lián)輸入級組成的：一個(gè)在輸入接近正軌時(shí)工作；另一個(gè)在輸入接近負軌 (或地) 時(shí)工作。這兩個(gè)輸入級每個(gè)都有自己的失調電壓。當信號從一個(gè)輸入級轉換到另一個(gè)輸入級時(shí)，在“切換”點(diǎn)處會(huì )產(chǎn)生一個(gè)失調電壓階躍。這會(huì )導致系統轉移函數的非線(xiàn)性。你需要查看運算放大器的數據表，以弄清楚是否在兩種狀態(tài)下都對失調進(jìn)行了微調。如果沒(méi)有進(jìn)行微調，那么非線(xiàn)性就可能對 16 位或 18 位 INL 性能有很大的不利影響。另一方面，LTC6360 在整個(gè)輸入工作范圍內對失調進(jìn)行了嚴格的調整。結果，即使信號在 0V 至 4V 范圍內擺動(dòng)時(shí)，仍然能保持諧波失真低于 -100dB，這個(gè)范圍涵蓋了切換點(diǎn)，就這款運算放大器而言，切換點(diǎn)電壓約為 3.6V。

另一種降低運算放大器輸入擺幅要求的方法是，采用負輸出配置的放大器。例如，如圖 4 所示，LT6350 的每一個(gè)運算放大器都配置為負輸出，以便運算放大器輸入的 DC 電壓保持在電源電壓范圍中間的某個(gè)部位。這樣，與輸入共模模式?jīng)]有問(wèn)題。諸如 LTC6362 等差分運算放大器本身就總是負輸出。當用于如圖所示的單端至差分轉換時(shí)，運算放大器輸入確實(shí)有擺動(dòng)，但擺幅遠小于信號本身的幅度。請注意，在每一個(gè)負輸出配置中，電路的輸入阻抗都是電阻性的，因此必須確保前面的電路能驅動(dòng)這個(gè)電阻。

圖 4：通過(guò)以負輸出模式配置 LT6350 的第一個(gè)運算放大器，該 IC 的輸入電壓沒(méi)有變化，
即使給這個(gè)電路加上一個(gè) ±10V 的信號。LTC2379-18 的數字增益壓縮將運放輸出的
0.5V 至 4.5V 擺幅轉換為滿(mǎn)標度，從而即使僅用單一電源供電，也可提供所有代碼。

總之，凌力爾特提供全線(xiàn)放大器解決方案，以使所需的信號進(jìn)入性能最高的 16 位和 18 位 ADC。