如何采用SAR轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)125dB的動(dòng)態(tài)范圍

問(wèn)題：

16位SAR轉(zhuǎn)換器應(yīng)用在600 kSPS時(shí)是否可以達(dá)到125 dB的動(dòng)態(tài)范圍？

答案：

是，89 dB + 18 dB + 20dB≥125dB。

簡(jiǎn)介

對(duì)于需要高動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器經(jīng)常使用。這些應(yīng)用主要可以在化學(xué)分析，醫(yī)療保健和體重管理領(lǐng)域找到。但是，許多這些模塊無(wú)法快速轉(zhuǎn)換。圖1中的電路描述了一種將高動(dòng)態(tài)范圍與高轉(zhuǎn)換速率相結(jié)合的方法。

圖1中的電路顯示了一個(gè)具有2.5 MSPS和上游可編程的16位SAR轉(zhuǎn)換器儀表放大器，將增益設(shè)置為1或100.通過(guò)FPGA中的過(guò)采樣和數(shù)字信號(hào)處理，該電路可實(shí)現(xiàn)大于125 dB的動(dòng)態(tài)范圍，并且仍然非常安靜。高動(dòng)態(tài)范圍是通過(guò)AD8253的自動(dòng)切換和過(guò)采樣實(shí)現(xiàn)的，其中信號(hào)的采樣速率遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采樣頻率加倍可在原始信號(hào)帶寬下將信噪比（SNR）提高約3 dB。在圖1所示的電路中，仍然在FPGA中應(yīng)用數(shù)字濾波，以消除高于感興趣的信號(hào)帶寬的噪聲。原理如圖2所示。

為了達(dá)到最大動(dòng)態(tài)范圍，在輸入端使用儀表放大器將極低信號(hào)放大100倍。有關(guān)噪聲的幾點(diǎn)考慮因素在以下內(nèi)容：

對(duì)于> 126 dB動(dòng)態(tài)范圍的要求，輸出3 V（6 V pp）輸入信號(hào)時(shí)的最大噪聲電平為1μVrms。 AD7985是一款16位SAR轉(zhuǎn)換器，具有2.5 MSPS的特性。如果它以600 kSPS（低功率損耗11 mW）和過(guò)采樣72運(yùn)行，則產(chǎn)生大約8 kSPS的采樣率，因此帶寬為4 kHz。從這些條件，產(chǎn)生最大15.8nV /√Hz的噪聲密度（ND）。該值對(duì)于選擇正確的儀表放大器很重要。 ADC通常具有89 dB的SNR，而過(guò)采樣72分鐘則額外增加18 dB，因此仍需要大約20 dB才能達(dá)到126 dB的目標(biāo)，這是儀表放大器的任務(wù)。 AD8253的增益為100時(shí)，其值為11 nV /√Hz。以下AD8021用作ADC驅(qū)動(dòng)器和電平調(diào)節(jié)，增加了2.1 nV /√Hz的噪聲。

模擬信號(hào)鏈由參考電壓ADR439（或REF194）以及ADA4004-2作為參考緩沖器和驅(qū)動(dòng)器完成，用于產(chǎn)生偏移電壓。

除了組件中的模擬路徑，F(xiàn)PGA（或處理器）對(duì)電路性能很重要。關(guān)鍵任務(wù)是將儀表放大器的增益從1切換到100.為此，編程了許多閾值以確保ADC不飽和。因此，AD8253在輸入電壓高達(dá)約20 mV時(shí)的增益為100，這使得ADC輸入端的最大電壓為2.0 V.然后FPGA將AD8253的增益降低到1，沒(méi)有延遲，以防止過(guò)驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖3）。

電路的變化可以與其他ADC（如AD7980）一起工作（16 -bit，1 MSPS），AD7982（18位，1 MSPS）或AD7986（18位，2 MSPS）。同樣，代替增益為1,10,100和1000的AD8253，可以使用儀表放大器，例如具有較低范圍的AD8251（增益為1,2,4和8）。也可以選擇參考電壓。

除模擬路徑中的組件外，F(xiàn)PGA（或處理器）對(duì)電路性能也很重要。關(guān)鍵任務(wù)是將儀表放大器的增益從1切換為100。為此，對(duì)許多閾值進(jìn)行了編程以確保ADC不飽和。因此，AD8253在輸入電壓高達(dá)20 mV左右時(shí)以100為增益運(yùn)行，這使得ADC輸入端的最大電壓達(dá)2.0 V。然后，F(xiàn)PGA將AD8253的增益降至1且沒(méi)有延遲，以防止過(guò)載（見(jiàn)圖3）。

圖3.增益開(kāi)關(guān)示例。

電路的變化可通過(guò)AD7980（16位、1 MSPS）、AD7982（18位、1 MSPS）或AD7986（18位、2 MSPS）等其他ADC操作。同樣，不使用增益為1、10、100和1000的AD8253，而改用具有較低范圍的AD8251等儀表放大器（增益為1、2、4和8）?；鶞?zhǔn)電壓的選擇也可能會(huì)改變。

完整開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可在analog.com/CN0260上找到。

Thomas Tzscheetzsch

Thomas Tzscheetzsch ［thomas.tzscheetzsch@analog.com］于2010年加入ADI公司，擔(dān)任高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。2010年至2012年，他負(fù)責(zé)支持德國(guó)中部地區(qū)的客戶群，自2012年以來(lái)，他任職于關(guān)鍵客戶團(tuán)隊(duì)，為關(guān)鍵客戶提供支持服務(wù)。2017年重組后，他負(fù)責(zé)中歐國(guó)家IHC市場(chǎng)的FAE團(tuán)隊(duì)，擔(dān)任FAE經(jīng)理。

在職業(yè)生涯的最初階段，他于1992年至1998年在一家機(jī)械制造公司任電子工程師兼部門(mén)負(fù)責(zé)人。在哥廷根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)完成電氣工程學(xué)習(xí)后，他任職于Max Planck研究院從事太陽(yáng)能系統(tǒng)研究工作，擔(dān)任硬件設(shè)計(jì)工程師。2004年至2010年，他任職于ADI公司產(chǎn)品經(jīng)銷(xiāo)商的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。