用于精準(zhǔn)測(cè)量和快速信號(hào)跟蹤的高準(zhǔn)確度 SAR ADC

作者 Alison Steer 　凌力爾特公司產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理混合信號(hào)產(chǎn)品

引言

　　如今，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 市場(chǎng)主要由 ΔΣ ADC 提供支持，這得益于其高動(dòng)態(tài)范圍、精準(zhǔn)DC性能及合理的價(jià)格。按照設(shè)計(jì)，ΔΣ ADC采用一個(gè)ΔΣ調(diào)制器和一個(gè)位于該調(diào)制器之后的數(shù)字抽取濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，因而產(chǎn)生低噪聲、但緩慢的輸出數(shù)據(jù)速率。過(guò)采樣的一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)是能夠極大地簡(jiǎn)化外部模擬抗混疊濾波器，從而依賴(lài)數(shù)字濾波器以決定通帶中的頻率響應(yīng)。

1 SAR ADC技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品

　　凌力爾特的新式SAR ADC技術(shù)把更高的性能帶給了精準(zhǔn)型應(yīng)用，在DC規(guī)格指標(biāo)(INL、DNL、偏移、增益誤差和穩(wěn)定性)方面可媲美最佳的ΔΣ ADC，同時(shí)保持高采樣速率和無(wú)延遲操作?？焖俨蓸覵AR ADC常用于對(duì)低帶寬信號(hào)實(shí)施過(guò)采樣。傳統(tǒng)的過(guò)采樣允許使用一個(gè)抽取濾波器 (低通濾波器+降頻采樣)，這增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。過(guò)采樣的另一個(gè)好處是放寬了對(duì)模擬抗混疊濾波器的要求。在未采用過(guò)采樣的場(chǎng)合，模擬抗混疊濾波器必需具有陡峭的滾降(陡峭的過(guò)渡頻帶)，由此增加了其復(fù)雜性。作為一種選擇，過(guò)采樣允許使用一個(gè)簡(jiǎn)單的低階模擬濾波器與一個(gè)數(shù)字濾波器的組合以構(gòu)成一個(gè)具非常陡峭滾降的等效混合模式抗混疊濾波器。然而，因此付出的代價(jià)是該濾波任務(wù)的負(fù)擔(dān)被加到了主機(jī)處理器上，并需要采用一個(gè)速度較快的處理器以快得多的速率從ADC輸出采集數(shù)據(jù)。

　　因此，凌力爾特正以不同的方式接近高精度市場(chǎng);將其專(zhuān)有SAR ADC架構(gòu)的高準(zhǔn)確度和速度與集成型數(shù)字濾波器相整合。最新推出的產(chǎn)品是LTC2508-32和LTC2512-24。LTC2508-32是一款具集成型引腳可配置數(shù)字濾波器的32位1Msps SAR ADC，專(zhuān)為低帶寬、高精度應(yīng)用而優(yōu)化。LTC2512-24 是一款具集成濾波器的24位、1.6Msps SAR ADC，其專(zhuān)為較高帶寬應(yīng)用而優(yōu)化。LTC2508-32在61sps的最慢輸出速率下實(shí)現(xiàn)了145dB的動(dòng)態(tài)范圍，而LTC2512-24的目標(biāo)則是在50ksps輸出速率條件下提供117dB的動(dòng)態(tài)范圍。

　　ΔΣ ADC的一個(gè)重要方面是調(diào)制器的輸出不是直接可用的。就是說(shuō)，它是一種具整形量化噪聲和非常低SNR的低分辨率信號(hào)。人們采用各種不同的方法對(duì)ΔΣ調(diào)制器的量化噪聲進(jìn)行整形，將其推送至一個(gè)較高的頻率(在此頻率上更容易濾除量化噪聲)，而讓關(guān)注的信號(hào)占據(jù)濾波器通帶中的較低頻率。接著，對(duì)調(diào)制器的輸出進(jìn)行低通濾波以產(chǎn)生可用的轉(zhuǎn)換結(jié)果。不過(guò)，由于其架構(gòu)的本質(zhì)，ΔΣ調(diào)制器因其輸出頻譜中的寄生音調(diào)而受到損害。盡管它們可能很努力，但是來(lái)自調(diào)制器的寄生音調(diào)仍然會(huì)(而且確實(shí))出現(xiàn)在通帶之中。

　　在存在這些毛刺信號(hào)的情況下試圖搜索一個(gè)小信號(hào)幾乎是不可能的。逐次逼近寄存器型(SAR)ADC不會(huì)遭受該缺陷之苦，并且具有一個(gè)接近理想的白噪聲功率譜。這將使得 SAR ADC 成為檢測(cè)處于非常低能量水平的音調(diào)或振動(dòng)之一種更佳選擇。然而，許多SAR ADC在16位至18位分辨率水平上仍然因?yàn)镈C轉(zhuǎn)移函數(shù)中的不連續(xù)性而受到損害，因而犧牲了DC性能。

2 LTC2508-32和LTC2512-24

　　LTC2508-32和LTC2512-24擁有良好的線性特性，無(wú)漏失碼。這使得應(yīng)用能夠充分利用經(jīng)濾波之輸出數(shù)據(jù)的巨大動(dòng)態(tài)范圍。

　　憑借僅為 22nV_RMS/√Hz 的噪聲頻譜密度，LTC2508-32 在 24 位或 32 位分辨率下可提供優(yōu)于任何同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng) ADC 解決方案的噪聲性能 (圖 1)。與ΔΣ 調(diào)制器輸出不同，這款凌力爾特 SAR ADC 的輸出具有平坦的噪聲功率頻譜密度，沒(méi)有需要應(yīng)付的音調(diào)。這意味著數(shù)字濾波器可針對(duì)最終應(yīng)用的要求 (而不是以濾除調(diào)制器噪聲和音調(diào)為目的) 任意地設(shè)計(jì)。LTC2508-32 濾波器是一種“擴(kuò)展sinc”架構(gòu)，代表了在阻帶抑制和穩(wěn)定時(shí)間之間的一種謹(jǐn)慎選擇的平衡。LTC2512-24 數(shù)字濾波器擁有延伸至f_O/4 (奈奎斯特區(qū)的一半) 之“不打折扣”的 0.001dB 通帶平坦度。LTC2512-24 濾波器過(guò)渡區(qū)和阻帶衰減不如許多ΔΣ 濾波器那么富有“侵略性”，因而可實(shí)現(xiàn)較快的穩(wěn)定和較小的時(shí)域人為干擾。再一次地，使這樣的濾波器具有實(shí)用性正是因?yàn)闆](méi)有音調(diào)。

　　LTC2508-32 提供了4個(gè)引腳可選的抽取濾波器，這些濾波器的特性列于表 1。4個(gè)不同的抽取濾波器使得設(shè)計(jì)師能夠依據(jù)應(yīng)用的選擇在帶寬和噪聲之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于 LTC2508-32 的每種配置，該數(shù)字濾波器是一種具線性相位響應(yīng)的低通有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波器。數(shù)字濾波器的輸出隨后利用對(duì)應(yīng)的降頻采樣因子(DF)進(jìn)行降頻采樣。于是，最終產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)速率(f_O)等于fSMPL/DF。在每種抽取濾波器選擇中，-3dB 帶寬與所選的 DF 值成反比。對(duì)于處在f_O/2至fSMPL–f_O/2 范圍內(nèi)的頻率，每種配置提供一個(gè)最小80dB的衰減。降頻采樣因子每增加 4 倍，ADC 動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大約 6dB，從而產(chǎn)生一個(gè)從131dB (在DF=256)至高達(dá)145dB(在DF=16384)的動(dòng)態(tài)范圍。這相當(dāng)于一個(gè) 24 位的有效位數(shù) (ENOB)。需注意的是，ADC 結(jié)果受限于一個(gè)品質(zhì)特性噪聲過(guò)程 (即：熱噪聲)，而非其量化噪聲，這一點(diǎn)很重要。這意味著 ADC 應(yīng)提供比 ENOB 至少多幾個(gè)位，對(duì)于一個(gè) 32 位輸出字，LTC2508-32 提供足夠數(shù)量的位，以采用整數(shù)字節(jié)來(lái)代表經(jīng)過(guò)濾波的數(shù)據(jù)。

　　LTC2508-32的輸出始終在10個(gè)輸出采樣中完全地穩(wěn)定，這與DF無(wú)關(guān)。當(dāng)降頻采樣因子增加時(shí)，帶寬減小，從而限制了噪聲并隨后擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)采用一個(gè)數(shù)值為256的降頻采樣因子時(shí)，濾波輸出的-3dB帶寬為480MHz，并產(chǎn)生一個(gè)3906sps的輸出數(shù)據(jù)速率。在16384 的最高DF條件下，-3dB帶寬是很窄的7.5Hz，可提供最高的噪聲濾波水平，并產(chǎn)生61sps 的最慢輸出數(shù)據(jù)速率。

　　此外，LTC2508-32還提供了雙數(shù)據(jù)輸出流，即：輸入信號(hào)的32位數(shù)字濾波版本，和一個(gè)直接來(lái)自前端SAR轉(zhuǎn)換器的無(wú)延遲、22位復(fù)合輸出。無(wú)延遲輸出字由一個(gè)代表差分輸入的14位代碼和一個(gè)代表輸入共模電壓的8位代碼組成。無(wú)延遲輸出在控制應(yīng)用中特別適用于輸入信號(hào)的快速跟蹤和提供針對(duì)不斷變化之負(fù)載情況的即時(shí)反饋。另外，它還可用于監(jiān)視輸入信號(hào)的質(zhì)量和指示系統(tǒng)故障 (例如：通過(guò)檢測(cè)有可能被數(shù)字濾波器隱藏的強(qiáng)噪聲或振蕩信號(hào))。該信息可與8位共模值組合使用以提供預(yù)見(jiàn)性維護(hù)。共模電壓的變化也許表示會(huì)使上游受擾，從而導(dǎo)致潛在的設(shè)備故障。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，這看似兩個(gè)ADC合為一體，提供了輸入信號(hào)的完全匹配表示，并不受失配或漂移問(wèn)題的制約。

　　LTC2512-24提供了與LTC2508-32的很多相似之處，具有4個(gè)引腳可選的抽取濾波器，如表 2所示。圖2示出了數(shù)字濾波器從DC至fO(輸出數(shù)據(jù)速率)的幅度響應(yīng)。支4至高達(dá)32的降頻采樣因子，降頻采樣因子每增加兩倍將實(shí)現(xiàn)3dB的動(dòng)態(tài)范圍改善。LTC2512-24具有相同的22位復(fù)合代碼輸出，可提供輸入信號(hào)一種近乎理想的實(shí)時(shí)表示。對(duì)于LTC2512-24，輸出始終在35個(gè)輸出采樣中完全地穩(wěn)定。

　　LTC2508-32 是一款面向地震學(xué)應(yīng)用以及石油和天然氣勘探的極佳候選方案，在此類(lèi)應(yīng)用中 ADC 必須分辨“埋藏”于噪聲中的極低電平信號(hào)。LTC2512-24 的較寬帶寬和平坦通帶可能更適合于心電圖 (EKG) 等醫(yī)療儀器，此類(lèi)儀器既受益于濾波輸出的高動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)又可利用無(wú)延遲輸出以提供諸如探頭位置等實(shí)時(shí)信息。對(duì)于任何采用了一個(gè)必須對(duì)輸入信號(hào)中的變化 (其通過(guò)較慢的濾波輸出將不會(huì)立即顯示出來(lái)) 做出快速反應(yīng)的控制環(huán)路的精準(zhǔn)型應(yīng)用而言，這些 ADC 是理想的選擇。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。