利用過(guò)采樣增加SAR ADC的動(dòng)態(tài)范圍
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以前有些關(guān)于Δ-Σ和SAR（逐次逼近型）ADC概述中，曾討論過(guò)信噪比(SNR)和有效位數(ENOB)相關(guān)的過(guò)采樣技術(shù)。 過(guò)采樣技術(shù)最常用于Δ-Σ型ADC，但也可用于SAR ADC。 本文將對此做進(jìn)一步討論。 首先是系統級概要介紹：
用于光譜分析、磁共振成像(MRI)、氣相色譜分析、振動(dòng)、石油/天然氣勘探和地震儀的高性能數據采集信號鏈要求具備高動(dòng)態(tài)范圍(DR)性能，同時(shí)降低功耗、尺寸和成本。 獲得較高動(dòng)態(tài)范圍的一種方法，是對轉換器過(guò)采樣，以便精確監控并測量來(lái)自傳感器微弱和強烈的輸入信號。
還有其它多種方法可以提升ADC動(dòng)態(tài)范圍，比如并行運行多個(gè)ADC并對輸出結果進(jìn)行數字后期處理以獲得平均值，或者使用可編程增益放大器。 然而，有些設計師可能會(huì )覺(jué)得這些方法太麻煩，或者覺(jué)得不能在他們的系統中實(shí)現——這主要是因為功耗、尺寸以及成本的限制。 本技術(shù)文章重點(diǎn)討論高吞吐速率、5 MSPS、18/16位精密SAR轉換器的過(guò)采樣，利用直觀(guān)的ADC樣本求均值，提升動(dòng)態(tài)范圍性能。
過(guò)采樣描述
過(guò)采樣是一種 高性?xún)r(jià)比的過(guò)程，以大幅高于奈奎斯特頻率的速率對輸入信號進(jìn)行采樣，提升SNR和分辨率 (ENOB)，同時(shí)還能降低抗混疊濾波器的要求。 原則上講，對ADC進(jìn)行4倍過(guò)采樣可額外提供1位分辨率，或增加6 dB的動(dòng)態(tài)范圍。 提升過(guò)采樣率(OSR)可降低整體噪聲并增加DR，因為過(guò)采樣為ΔDR = 10log10 (OSR)，單位dB。
類(lèi)似于Δ-Σ型ADC過(guò)采樣、高吞吐速率SAR ADC過(guò)采樣還能改善抗混疊性能，并降低總噪聲。 很多情況下，過(guò)采樣是Δ-Σ型ADC的固有屬性，可以順利實(shí)現，并且集成數字濾波器和抽取功能。 然而，Δ-Σ型ADC通常不適合用于輸入通道間的快速切換（多路復用）。 如圖1所示，Δ-Σ型ADC基本過(guò)采樣調制器對量化噪聲進(jìn)行整形，使其大部分出現在目標帶寬以外，從而增加低頻下的整體動(dòng)態(tài)范圍。 然后，數字低通濾波器(LPF)過(guò)濾目標帶寬以外的噪聲，抽取器降低輸出數據速率，使其回落至奈奎斯特速率。
圖1. 奈奎斯特轉換器過(guò)采樣
5 MSPS、18/16位精密轉換器
關(guān)于其實(shí)際工作原理的示例，可參考AD7960和AD7961器件。 這兩款器件分別是18/16位ADC，最高轉換速率為5 MSPS。 它們使用專(zhuān)有的容性數模轉換技術(shù)，可降低噪聲并改善線(xiàn)性度，同時(shí)不會(huì )產(chǎn)生延遲或流水線(xiàn)延遲。 由于兼具低RMS噪聲和高吞吐速率性能，因而實(shí)現了低噪底。 這使得這些ADC適合于過(guò)采樣應用。
AD7960/AD7961系列采用1.8 V和5 V電源供電，在自時(shí)鐘模式下進(jìn)行轉換時(shí)，5 MSPS速率的功耗僅為39 mW；而在回波時(shí)鐘模式下進(jìn)行轉換時(shí)，5 MSPS速率的功耗為46.5 mW。 如圖2所示，功耗隨吞吐速率線(xiàn)性變化，使其非常適合低功耗便攜式應用。
圖2. AD7960功耗與吞吐速率的關(guān)系
圖3. AD7960/AD7961評估設置的原理示意圖（未顯示所有去耦）
AD7960/AD7961評估設置
AD7960/AD7961系列可將反相模擬輸入信號（IN+和IN−）的差分電壓轉換為數字輸出信號。 模擬輸入IN+和IN−要求共模電壓等于基準電壓的一半。 低噪聲、低功耗放大器AD8031緩沖來(lái)自低噪聲、低漂移ADR4550的5 V基準電壓，還可緩沖AD7960/AD7961的共模輸出電壓(VCM)。
低噪聲和超低失真ADA4899-1配置為單位增益緩沖器，并以0 V至5 V差分反相（相互之間呈180°反相）驅動(dòng)AD7960/AD7961的輸入。 電路使用+7 V和-2.5 V電源，用于A(yíng)DA4899-1驅動(dòng)器的輸入，以最大程度降低功耗，實(shí)現最佳系統失真性能。 使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板評估設置簡(jiǎn)化原理圖如圖3所示。
在本文第一部分，我們開(kāi)始討論采用SAR ADC來(lái)降低噪聲、增加動(dòng)態(tài)范圍和ENOB， 方法是基于過(guò)采樣——一般用于低速、高分辨率?-Σ型ADC——其它器件較少采用。 然后，我們進(jìn)而討論了使用評估板和軟件的SAR ADC測試結果。
在第二部分，我們將繼續討論AD7960/AD7961。 我們還將討論可用的評估板和軟件，它們可以進(jìn)行分析。 我們將看到這些ADC的性能如何。 通過(guò)ADC的FFT輸出，使用評估板可輕松看出性能。
測量結果
過(guò)采樣能力由AD7960/AD7961評估軟件對ADC輸出樣本簡(jiǎn)單求平均而實(shí)現，也就是說(shuō)，將ADC樣本數量相加，然后除以過(guò)采樣率，從而提升動(dòng)態(tài)范圍。 該軟件允許用戶(hù)從配置選項卡的下拉菜單中選擇高達256的過(guò)采樣率，如圖4所示?？蓪?shí)現的最大動(dòng)態(tài)范圍受限于系統的低頻1/f噪聲，該噪聲在低于20 kSPS的較低輸出數據速率下占主導地位。
圖4. AD7960/AD7961評估軟件面板
從直流到fs/2范圍內的信號頻譜以及平坦噪聲如圖5和圖6所示，表示可對噪聲進(jìn)行過(guò)濾，使其降低至fs/(2 × OSR)，以改善動(dòng)態(tài)范圍和SNR。 此時(shí)，過(guò)采樣動(dòng)態(tài)范圍是峰值信號功率與ADC輸出FFT測量的噪聲功率之比，測量范圍為直流至fs/(2 × OSR)，其中fs表示ADC采樣速率。
圖5. AD7960在無(wú)輸入信號且fIN = 1 kHz時(shí)的過(guò)采樣FFT輸出（OSR = 256，REF = 5 V）
圖6. AD7961在無(wú)輸入信號且fIN = 1 kHz時(shí)的過(guò)采樣FFT輸出（OSR = 256，REF = 5 V）
如數據手冊所述，采用5 V基準電壓源時(shí)，AD7960和AD7961可分別實(shí)現100 dB和96 dB典型動(dòng)態(tài)范圍；因此理論上由于256過(guò)采樣，我們應當看到動(dòng)態(tài)范圍增加了24 dB。
在實(shí)際中，這些器件測得的過(guò)采樣動(dòng)態(tài)范圍分別為122 dB和119 dB，在19.53 kSPS輸出數據速率下進(jìn)行256倍過(guò)采樣時(shí)無(wú)輸入信號，這與理論計算值相比動(dòng)態(tài)范圍下降了1 dB到2 dB。 它受到來(lái)自信號鏈組件、輸入源和印刷電路板的低頻噪聲限制。 采用1 kHz滿(mǎn)量程正弦波輸入信號時(shí)，這些器件分別可實(shí)現大約111 dB和110 dB的過(guò)采樣SNR。 圖7顯示AD7960如何隨過(guò)采樣率增加和輸出數據速率下降而實(shí)現動(dòng)態(tài)范圍的增加。
圖7. AD7960動(dòng)態(tài)范圍與輸出數據速率的關(guān)系
應用示例
MRI系統工作頻段為1 MHz至100 MHz RF，而計算機斷層掃描(CT)和數字X射線(xiàn)工作在1016 Hz至1018 Hz頻率范圍內，并且需要讓病人暴露在電離輻射下，會(huì )損害活組織。 MRI梯度控制系統要求極高的動(dòng)態(tài)范圍、緊湊的線(xiàn)性度以及從DC到幾十kHz的快速響應時(shí)間，并且要求在模擬或數字域中，其梯度精確控制到大約1 mA (1 ppm)以?xún)?，以增強圖像質(zhì)量。
使用具有優(yōu)異規格數據的過(guò)采樣SAR ADC（比如AD7960）可讓設計工程師實(shí)現高動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)滿(mǎn)足MRI系統的關(guān)鍵要求。 這類(lèi)系統要求可在醫院或醫生辦公室中重復、長(cháng)期穩定測量。 設計工程師應當注意的其它要求是高分辨率、精度、低噪聲、快速刷新速率和極低的輸出漂移。
作者簡(jiǎn)介
Maithil Pachchigar是ADI公司精密轉換器業(yè)務(wù)部的一名應用工程師。 他于2010年加入ADI公司，為工業(yè)、儀表、醫療和能源行業(yè)的客戶(hù)提供高精度ADC產(chǎn)品技術(shù)支持。 自2005年以來(lái)，Maithil一直在半導體行業(yè)工作，并已發(fā)表多篇技術(shù)文章。 他于2006年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位，并于2010年獲得硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。
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