使用過采樣增加SAR ADC的動態(tài)范圍

您是否使用過任何ADC（Δ-Σ或SAR）并在過采樣模式下運行？你得到了預期的結果嗎？你遇到什么問題了嗎？

在之前的一些文章中，Δ-Σ和SAR（逐次逼近寄存器）ADC的一般概述中，已經(jīng)涵蓋了與信噪比（SNR）和有效位數(shù)（ENOB）相關的過采樣技術。過采樣技術最常用于 Δ-Σ ADC，但它也可用于 SAR ADC。在本文中，我們將更深入地了解其工作原理。首先，從系統(tǒng)級角度快速概述：

用于光譜學、磁共振成像 （MRI）、氣相色譜、振動、石油/天然氣勘探和地震儀器的高性能數(shù)據(jù)采集信號鏈除了需要降低功耗、面積和成本外，還需要高動態(tài)范圍 （DR）。實現(xiàn)更高動態(tài)范圍的方法之一是對轉(zhuǎn)換器進行過采樣，以精確監(jiān)控和測量來自傳感器的小輸入信號和大輸入信號。

還有許多其他方法可以增加ADC的動態(tài)范圍，例如并行操作多個ADC，并對輸出進行數(shù)字后處理以獲得平均結果，或者使用可編程增益放大器。然而，一些設計人員可能會發(fā)現(xiàn)這些方法在他們的系統(tǒng)中實現(xiàn)起來很麻煩或不切實際，主要是由于功耗、空間和成本原因。本技術文章重點介紹高吞吐量5 MSPS、18/16位精密SAR轉(zhuǎn)換器的過采樣，方法是實現(xiàn)ADC樣本的簡單平均，以實現(xiàn)更高的動態(tài)范圍性能。

過采樣說明

過采樣是一種經(jīng)濟高效的過程，它以比奈奎斯特頻率高得多的速率對輸入信號進行采樣，以提高SNR和分辨率（ENOB），這也放寬了對抗混疊濾波器的要求。作為一般準則，對ADC進行四倍過采樣可提供額外的一位分辨率，或動態(tài)范圍增加6 dB。提高過采樣比 （OSR） 可降低整體噪聲，并且由于過采樣而改善的 DR 為 ΔDR = 10log10 （OSR），單位為 dB。

除了使用 Δ-Σ ADC 進行過采樣外，對高吞吐量 SAR ADC 進行過采樣還可以改善抗混疊并降低整體噪聲。在許多情況下，過采樣在具有集成數(shù)字濾波器和抽取功能的Δ-Σ ADC中固有地使用和實現(xiàn)良好。但是，Δ-Σ ADC通常不適合輸入通道之間的快速切換（多路復用）。如圖1所示，Δ-ΣADC中的基本過采樣調(diào)制器對量化噪聲進行整形，使得大部分噪聲發(fā)生在目標帶寬之外，從而在低頻下增加整體動態(tài)范圍。然后，數(shù)字低通濾波器（LPF）消除目標帶寬之外的噪聲，抽取器將輸出數(shù)據(jù)速率降低回奈奎斯特速率。

圖1.奈奎斯特轉(zhuǎn)換器的過采樣。

5 MSPS、18/16位精密轉(zhuǎn)換器

作為實際工作原理的示例，我們來看看AD7960和AD7961器件。這些是18位/16位ADC（分別為），可轉(zhuǎn)換高達5 MSPS。它們使用專有的電容數(shù)模技術來降低噪聲并提高線性度，而不會出現(xiàn)延遲或流水線延遲。低本底噪聲是通過低均方根噪聲和高吞吐量的組合實現(xiàn)的。這使得這些ADC適合過采樣應用。

AD7960/AD7961系列采用1.8 V和5 V電源供電，在自時鐘模式下轉(zhuǎn)換時功耗僅為39 mW，在回波時鐘模式下轉(zhuǎn)換時功耗僅為5 MSPS，功耗為46.5 mW。功耗與吞吐速率成線性關系，如圖2所示，適合低功耗便攜式應用。

圖2.AD7960功耗與吞吐速率的關系

AD7960/AD7961 評估設置

AD7960/AD7961系列將反相模擬輸入（IN+和IN?）的差分電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。模擬輸入IN+和IN?需要等于基準電壓一半的共模電壓。低噪聲、低功耗放大器AD8031緩沖來自低噪聲和低漂移ADR4550的5 V基準電壓，還緩沖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，以0 V至5 V差分反相（彼此錯相180°）驅(qū)動AD7960/AD7961的輸入。該電路為輸入ADA4899-1驅(qū)動器使用+7 V和?2.5 V電源，以最大限度地降低功耗并實現(xiàn)最佳系統(tǒng)失真性能。使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板的評估設置的簡化原理圖如圖3所示。

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圖3.AD7960/AD7961評估設置的簡化原理圖（未顯示所有去耦）。

在本文的第1部分中，我們開始研究如何利用SAR ADC降低噪聲、增加動態(tài)范圍和增加ENOB。該方法基于過采樣（通常用于低速、高分辨率?-Σ ADC），其他地方不太常用。我們 繼續(xù) 使用 評估 板 和 其 軟件 查看 SAR ADC 的 一些 測試 結果。

在第2部分中，我們將繼續(xù)介紹AD7960/AD796。我們還將介紹可提供分析的可用評估板和軟件。我們將看到這些ADC的性能如何。該評估板可通過查看ADC的FFT輸出輕松了解性能。

測量結果

過采樣功能在AD7960/AD7961評估軟件中實現(xiàn)，對ADC輸出樣本進行簡單平均，將ADC樣本數(shù)量相加，除以過采樣比，得到增加的動態(tài)范圍。該軟件允許用戶從“配置”選項卡下的下拉菜單中選擇高達 256 的過采樣率，如圖 4 所示。實現(xiàn)的最大動態(tài)范圍受到系統(tǒng)低頻1/f噪聲的限制，在低于20 kSPS的較低輸出數(shù)據(jù)
速率下，低頻1/f噪聲開始占主導地位。

圖4.AD7960/AD7961評估軟件面板

圖5和圖6中的信號頻譜和從直流到fs/2的平坦噪聲表明，噪聲可以濾波到fs/（2 × OSR），以改善動態(tài)范圍和SNR。在這種情況下，過采樣動態(tài)范圍是峰值信號功率與ADC輸出FFT中測量的噪聲功率之比，從直流到fs/（2 × OSR），其中fs是ADC采樣速率。

圖5.AD7960過采樣FFT輸出，無輸入信號和f在= 1 kHz （OSR = 256， REF = 5 V）。

圖6.AD7961過采樣FFT輸出，無輸入信號，且f.在= 1 kHz （OSR = 256， REF = 5 V）。

AD7960和AD7961使用數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的5 V基準電壓源時，典型動態(tài)范圍分別為100 dB和96 dB，因此理論上，由于過采樣256，動態(tài)范圍應增加24 dB。

實際上，這些器件測得的過采樣動態(tài)范圍分別為122 dB和119 dB，在輸出數(shù)據(jù)速率為19.53 kSPS時過采樣256×無輸入信號，從理論計算來看，動態(tài)范圍下降1 dB至2 dB。這受到來自信號鏈元件、輸入源和印刷電路板的低頻噪聲的限制。利用1 kHz滿量程正弦波輸入信號，這些器件的過采樣SNR分別約為111 dB和110 dB。圖7顯示了AD7960如何在過采樣比增加和輸出數(shù)據(jù)速率降低的情況下實現(xiàn)更大的動態(tài)范圍。

圖7.AD7960動態(tài)范圍與輸出數(shù)據(jù)速率的關系

應用示例

MRI 系統(tǒng)在 1 MHz 至 100 MHz 射頻頻段內(nèi)工作，而計算機斷層掃描 （CT） 和數(shù)字 X 射線在 1016 Hz 至 1018 Hz 頻率范圍內(nèi)工作，使患者受到可能損害活組織的電離輻射。MRI梯度控制系統(tǒng)需要非常高的動態(tài)范圍、嚴格的線性度和從直流到幾十千赫茲的快速響應時間，并且必須在模擬或數(shù)字域中將其梯度精確控制在1 mA （1 ppm）左右，以提高圖像質(zhì)量。

使用具有良好規(guī)格的過采樣SAR ADC（如AD7960）將使設計工程師能夠?qū)崿F(xiàn)高動態(tài)范圍并滿足MRI系統(tǒng)的關鍵要求。此類系統(tǒng)需要在醫(yī)院或醫(yī)生辦公環(huán)境中長時間保持測量的可重復性和穩(wěn)定性。設計工程師應該尋找的其他要求是高分辨率、高精度、低噪聲、快速刷新率和極低的輸出漂移。

審核編輯：郭婷