功耗僅為15.5mW的16位1MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器

功耗僅為15.5mW的16位1MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器

今年年初 TI 推出的兩款模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) ADS8329 和 ADS8330 向世人展現(xiàn)了一個(gè)低功耗、高速和高性能的獨(dú)特組合。該組合使其成為諸多應(yīng)用的理想選擇，例如：通信、醫(yī)療儀器、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或工業(yè)過(guò)程控制等。本文中，TI 的 ADC 馬達(dá)控制設(shè)計(jì)經(jīng)理 Frank Ohnhaeuser 就上述兩款轉(zhuǎn)換器的有關(guān)性能進(jìn)行了概述，并對(duì)有助于實(shí)現(xiàn)這些性能的關(guān)鍵要素作了闡述。

ADS8329 和 ADS8330 屬于同一個(gè)器件系列，他們是 500kSPS ADS8327 和 ADS8328 的升級(jí)延伸。所有產(chǎn)品均為引腳兼容，并提供了一個(gè)基于逐次逼近架構(gòu) (SAR) 的 ADC。ADS8327 和 ADS8329 均為單通道器件，而 ADS8328 和 ADS8330 為雙通道器件。一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘用于對(duì)轉(zhuǎn)換計(jì)時(shí)，但是也可以對(duì)該轉(zhuǎn)換器進(jìn)行編程，以利用串行接口的外部時(shí)鐘。編程和數(shù)據(jù)傳送均通過(guò)一個(gè)高速串行接口來(lái)完成。

圖 1 ADS8329/30 結(jié)構(gòu)圖

如果轉(zhuǎn)換正在使用內(nèi)部時(shí)鐘，那么外部時(shí)鐘就應(yīng)該被關(guān)閉。非同步時(shí)鐘信號(hào)通常會(huì)引起基板失真，從而得到兩種選項(xiàng)。如果 ADC 以?xún)?nèi)部時(shí)鐘運(yùn)行，那么就應(yīng)該在轉(zhuǎn)換之后讀取數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)傳送完成以前，不應(yīng)觸發(fā)新的轉(zhuǎn)換。如果該部件通過(guò)外部時(shí)鐘運(yùn)行，那么就可以在下一轉(zhuǎn)換期間讀取數(shù)據(jù)。外部時(shí)鐘以?xún)杀兜霓D(zhuǎn)換速度運(yùn)行，以確保數(shù)據(jù)傳送在運(yùn)行轉(zhuǎn)換復(fù)寫(xiě) (overwrite) 輸出數(shù)據(jù)以前完成。

通過(guò)串行接口編程可實(shí)現(xiàn)多種額外的功能。一種是雙通道產(chǎn)品的通道選擇。這樣，就可擁有一個(gè)自動(dòng)觸發(fā)器，其在前一個(gè)轉(zhuǎn)換完成以后自動(dòng)將轉(zhuǎn)換起始信號(hào) (CONVST) 初始化為 4 個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期。利用鏈模式，數(shù)個(gè)同步采樣 ADC 的數(shù)據(jù)可以通過(guò)一個(gè)串行接口讀取。您可以在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中查看到其他的特性。

該轉(zhuǎn)換器系列專(zhuān)門(mén)優(yōu)化用以實(shí)現(xiàn)低功耗，以便具有多種功耗降低特性。在慢內(nèi)部信號(hào)保持上電而快速 (300ns) 恢復(fù)模塊被關(guān)閉的情況下，得以實(shí)施一個(gè) NAP 模式。我們可以將 2.7V 電源電壓的電流消耗從 5mA 降低至 0.25mA，將 5V 電源電壓的電流消耗從 7mA 降低至 0.3mA?？梢酝ㄟ^(guò)串行接口或觸發(fā) CONVST 信號(hào)來(lái)喚醒 ADC。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，CONVST 信號(hào)將會(huì)立即凍結(jié)輸入電壓，并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。在 NAP 模式下，ADC 首先醒來(lái)，同時(shí)數(shù)據(jù)在 6 個(gè)時(shí)鐘周期以后自動(dòng)被凍結(jié)。

為了最小化開(kāi)銷(xiāo)，可將轉(zhuǎn)換器置于一種 AUTONAP 模式。在該模式下，一旦轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換器就會(huì)自動(dòng)地降低其電流消耗。因此，CONVST 信號(hào)可以被用于喚醒 ADC，并開(kāi)始轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換完成以后，ADC 將再次降低其功耗。

如果 ADC 長(zhǎng)期保持非使用狀態(tài)，那么深度睡眠 (PD) 功能應(yīng)該被用于充分降低 ADC 功耗。剩余的漏電流通常為 4nA。圖 2 和圖 3 顯示了 NAP 和 PD 運(yùn)行中電流消耗與采樣速率的關(guān)系。由于存在更長(zhǎng)的喚醒時(shí)間，因此，深度睡眠運(yùn)行模式應(yīng)該只在低采樣速率條件下才使用。對(duì)于 100kSPS 以上的采樣速率而言，NAP 功能更為有效。

圖 2 在 NAP 模式下，電流消耗與采樣速率的關(guān)系

圖 3 在 PD 模式下，電流消耗與采樣速率的關(guān)系

就節(jié)能而言，我們建議關(guān)閉 ADC 的外部時(shí)鐘。否則，電流消耗可能會(huì)保持在 1mA 以上。ADS8329/30 不同于一些有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，因?yàn)槠淇梢员挥糜谳^寬的電源電壓范圍。在 2.7V 到 5V 的范圍內(nèi)可以選擇模擬電源電壓，而數(shù)字接口則可以始終在低至 1.65V 的電壓下工作。

ADS8329/30 的設(shè)計(jì)不僅是為了實(shí)現(xiàn)低功耗，還為了實(shí)現(xiàn)高性能。一個(gè)內(nèi)部動(dòng)態(tài)誤差允許對(duì)較小調(diào)整進(jìn)行校正，以及轉(zhuǎn)換期間的散熱效果，同時(shí)在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)對(duì)其進(jìn)行校正。該功能以及封裝內(nèi)的微調(diào)功能使差分線性度保持在 ±0.5LSB 的范圍內(nèi)。緊密的差分線性度還有助于達(dá)到一個(gè)較好的積分線性。圖 4和圖 5 顯示了這種典型的線性度。

圖 4 LSB 中差分非線性與 1MSPS 輸出代碼的關(guān)系

圖 5 LSB 中積分非線性與 1MSPS 輸出代碼的關(guān)系

當(dāng)功耗受到限制時(shí)，噪聲優(yōu)化就變得困難了。在 ADS8329/30 上，通過(guò)將參考緩沖器移出 ADC，可以實(shí)現(xiàn)低噪聲。這就要求一個(gè)外部電容器能夠?qū)τ?ADC 電容器陣列引起的參考突波進(jìn)行補(bǔ)償。如果這種電容器高至 216+1，那么在一個(gè)轉(zhuǎn)換期間該電容器的壓降會(huì)保持在 LSB 的一半以下。對(duì)于 ADS8329 而言，推薦使用 22uF 陶瓷電容器，以其 0805 尺寸和 X5R 質(zhì)量，現(xiàn)在開(kāi)始供貨。參考電壓應(yīng)該具有一個(gè)良好的負(fù)載抑制，以便轉(zhuǎn)換器輸入的平均電流不會(huì)引起參考輸入壓降（該壓降超過(guò)了 LSB 的一半）

圖 6 DC 輸入電壓下 4096 代碼的代碼分布

除該參考電壓以外，內(nèi)部電容器也是一個(gè)主要的噪聲源。動(dòng)態(tài)誤差校正允許較小的內(nèi)部調(diào)整誤差。這樣，就可以減少比較器帶寬。這兩個(gè)因素均限制了噪聲，因此就實(shí)現(xiàn)了一個(gè) DC 輸入電壓的緊密噪聲分布（如圖 6 所示）。共計(jì) 4096 個(gè)采樣中的 4087 個(gè)采樣僅分布在 2 個(gè)代碼上面。

市場(chǎng)上有少數(shù)產(chǎn)品表現(xiàn)出更為緊密的噪聲分布，但是這些產(chǎn)品擁有全對(duì)稱(chēng)、全差動(dòng)輸入信號(hào)，其要求具有一個(gè)復(fù)雜的輸入結(jié)構(gòu)。ADS8329/30 提供了簡(jiǎn)單的單端輸入范圍，因此能夠使用成本更低的 CMOS 放大器，例如：OPA365。

良好的線性和噪聲性能還體現(xiàn)在 ADS8329/30 的 AC 性能上（能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 93dB 的 SNR）。這種差分非線性將影響 SNR，同時(shí)積分非線性會(huì)引起諧波。圖 7 顯示了一個(gè) 10kHz 輸入頻率和 4096 采樣的 FFT，同時(shí)還證實(shí)具有低諧波失真。更高頻率時(shí)，總諧波失真 (THD) 取決于非線性輸入開(kāi)關(guān)和內(nèi)部電容器。

這些非線性組件將會(huì)使 THD 迅速降低。在圖 8 中，這種變化得到了監(jiān)控。但是，相比一些頗具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，該下降趨勢(shì)不那么劇烈。在其內(nèi)部，使用了一種非常特殊的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，以便使這些非線性開(kāi)關(guān)位于一個(gè)低阻抗工作點(diǎn)上。這就大大降低了開(kāi)關(guān)的影響。

圖 7 顯示一個(gè) 10kHz 輸入信號(hào)的 4096 采樣 FFT

單通道ADS8329和雙通道ADS8330既不是市場(chǎng)上最快的 SAR 轉(zhuǎn)換器也沒(méi)有提供最低的噪聲性能，但是它們是一種非常獨(dú)特的最低功耗、高速、低噪聲和良好線性度的組合。這就使它們特別適合于那些重視低功耗和高性能的各種應(yīng)用，例如：手持終端設(shè)備或多通道同步采樣應(yīng)用等。

圖 8 總諧波失真與輸入頻率的關(guān)系