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? 不過你的付出得到所希望的回報(bào)了嗎? 為了實(shí)現(xiàn)異常寬的動(dòng)態(tài)范圍，你需要確保在信號(hào)最大時(shí)，利用該 ADC 的整個(gè)滿標(biāo)度范圍。換句話說(shuō)，你需要運(yùn)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(hào)與該 ADC 噪聲層之比。為了實(shí)現(xiàn)高達(dá) 102dB 的 SNR，LTC2379 系列規(guī)定了 10Vpp 的差分輸入范圍，這意味著兩個(gè)輸入每一個(gè)都可以在 0V 至 5V 范圍內(nèi)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(dāng)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(duì)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(nèi)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(yùn)行。在這種情況下，任何靠這種軌運(yùn)行的運(yùn)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(xiàn)極好的 DC 準(zhǔn)確度和快速穩(wěn)定時(shí)間，或者使用 LT1124 實(shí)現(xiàn)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(xiàn)微功率運(yùn)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(nèi)擺動(dòng)，那么你可以僅針對(duì)最后一級(jí)放大器提供特殊的電源軌，例如 -2V 至 +7V。驅(qū)動(dòng) LTC2379-18 的 LT6350 的參考設(shè)計(jì)準(zhǔn)確地做到了這一點(diǎn) (參見圖 1)。用 +7V 電源給 5V 基準(zhǔn)供電也很方便。

圖 1：通過用 +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(shè)計(jì)。

不過，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(rèn)為，利用軌至軌運(yùn)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(jí)并非是真正軌至軌的。這種輸出級(jí)充其量也只能達(dá)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(xiàn)的，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致較慢的飽和恢復(fù)時(shí)間。如果需要良好的線性度 (低失真)，那么輸出電壓通常應(yīng)該與每個(gè)軌相距至少數(shù)百毫伏。例如，新的低功率差分運(yùn)放 LTC6362 (參見圖 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 以內(nèi)時(shí)，保持 >110dB 的線性度。如果你設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，讓感興趣的最大信號(hào)不超過這個(gè)范圍，那么就運(yùn)用了至少 90% 的 ADC 代碼，這意味著，你實(shí)現(xiàn)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?yàn)槟阒婪糯笃鞅ＷC不會(huì)超過 (或惡化、損害) ADC 的輸入范圍。這自然而然起到了保護(hù)作用。

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

LTC2379 系列提供稱為數(shù)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(zhǔn)電壓 10% 至 90% 的電壓擺幅視為滿標(biāo)度。以這種方式工作時(shí)，采用一個(gè) 5V 基準(zhǔn)，放大器輸出僅需要在 0.5V 至 4.5V 范圍內(nèi)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(yīng)擴(kuò)展前端增益，并以 18 位分辨率獲得滿標(biāo)度，同時(shí)放大器僅用單一 5V 電源運(yùn)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?yàn)槟M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(shù)字增益壓縮模式，會(huì)損失大約 2dB 的 SNR。就 16 位 ADC 而言，在數(shù)字增益壓縮模式僅損失 1dB SNR，因?yàn)槟氵€會(huì)從相應(yīng)減小的量化噪聲中受益。

單端 (或偽差分) LTC2369 系列不支持?jǐn)?shù)字增益壓縮，這是故意為之的，因?yàn)榫蛦味藛螛O性信號(hào)而言，接近零的性能通常是最重要。當(dāng)信號(hào)很小時(shí)，你恰恰最重視高性能 ADC 的精細(xì)分辨率和低噪聲性能。就差分 ADC 而言，當(dāng)兩個(gè)輸入相等時(shí)，就得到了“零”。就單極性單端 ADC 而言，當(dāng)輸入信號(hào)接地時(shí)，得到“零”。因此，為了實(shí)現(xiàn)這種接地連接，你的確需要放大器能擺動(dòng)至地。如果沒有外部負(fù)電源可用，那么 LTC6360 可以用來(lái)解圍。這款低噪聲、DC 準(zhǔn)確的高速運(yùn)算放大器內(nèi)部包括一個(gè)內(nèi)置的充電泵，該充電泵在芯片上產(chǎn)生一個(gè)小的負(fù)偏置電壓，以給輸出級(jí)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(hào)，并滿足在 5V 基準(zhǔn)的滿標(biāo)度之 1dB 內(nèi)，或者使用 4.096V 基準(zhǔn)并在滿標(biāo)度范圍內(nèi)擺動(dòng)。后一種系統(tǒng)完全靠單一 5V 電源工作，甚至包括基準(zhǔn)本身 (參見圖 3)。

圖 3：LTC6360 運(yùn)算放大器包括一個(gè)內(nèi)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，可以開發(fā)一個(gè)徹底的單電源系統(tǒng)，
該系統(tǒng)仍然可以向 LTC2379-18 偽差分 ADC 提供相應(yīng)于滿標(biāo)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(zhǔn)，以便 LTC6655 基準(zhǔn) IC 也可以用 5V 模擬電源供電。

以上所有內(nèi)容均探討的是驅(qū)動(dòng) ADC 的運(yùn)算放大器的輸出擺幅。下面，我們應(yīng)該把注意力轉(zhuǎn)移到輸入擺幅限制上了。

有時(shí)，你想讓最后一級(jí)運(yùn)算放大器做的全部事情就是緩沖信號(hào)并將信號(hào)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(yùn)算放大器而言，輸入擺幅與輸出是一樣大的。這里的問題仍然是，如果你有范圍很寬的電源軌可用，例如 ±15V 或 -2V 至 +7V，那么不存在任何問題。但是，如果你想用單一 5V 電源讓運(yùn)算放大器工作，那么有可能產(chǎn)生一種想法，即認(rèn)為所需做的所有工作僅是，在很多軌至軌輸入運(yùn)算放大器中選出一個(gè)，然后一切都將正常工作。不過，軌至軌輸入級(jí)實(shí)際上是由兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)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(fù)軌 (或地) 時(shí)工作。這兩個(gè)輸入級(jí)每個(gè)都有自己的失調(diào)電壓。當(dāng)信號(hào)從一個(gè)輸入級(jí)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)輸入級(jí)時(shí)，在“切換”點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)電壓階躍。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)移函數(shù)的非線性。你需要查看運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)表，以弄清楚是否在兩種狀態(tài)下都對(duì)失調(diào)進(jìn)行了微調(diào)。如果沒有進(jìn)行微調(diào)，那么非線性就可能對(duì) 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(nèi)對(duì)失調(diào)進(jìn)行了嚴(yán)格的調(diào)整。結(jié)果，即使信號(hào)在 0V 至 4V 范圍內(nèi)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(yùn)算放大器而言，切換點(diǎn)電壓約為 3.6V。

另一種降低運(yùn)算放大器輸入擺幅要求的方法是，采用負(fù)輸出配置的放大器。例如，如圖 4 所示，LT6350 的每一個(gè)運(yùn)算放大器都配置為負(fù)輸出，以便運(yùn)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)]有問題。諸如 LTC6362 等差分運(yùn)算放大器本身就總是負(fù)輸出。當(dāng)用于如圖所示的單端至差分轉(zhuǎn)換時(shí)，運(yùn)算放大器輸入確實(shí)有擺動(dòng)，但擺幅遠(yuǎn)小于信號(hào)本身的幅度。請(qǐng)注意，在每一個(gè)負(fù)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(qū)動(dòng)這個(gè)電阻。

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

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