問題:16位元SAR轉換器應用能否在600kSPS時達到125dB的動態範圍?

答案:可以,89dB + 18dB + 20dB ≥ 125dB。

對於需要高動態範圍的應用,通常會使用∑-Δ轉換器。這些應用主要可以在化學分析、醫療保健和體重管理領域中找到。但是,其中許多模組無法快速轉換。圖1中的電路描述了一種將高動態範圍與高轉換率相結合的方法。

圖1:具有自動增益調節功能的SAR轉換器

圖1的電路顯示帶有2.5MSPS和上游可編程儀表放大器的16位元SAR轉換器,它將增益設定為1或100。透過在FPGA中進行過採樣和數位訊號處理,該電路可實現大於125dB的動態範圍,並且仍然非常安靜。高動態範圍是透過AD8253的自動切換和過採樣而得以實現的,其中訊號的採樣速率遠高於奈奎斯特(Nyquist)頻率。

根據經驗,採樣頻率加倍可在原始訊號帶頻下將訊號雜訊比(SNR)提高約3 dB。在圖1所示的電路中,仍然在FPGA中應用數位濾波,以消除高於目標訊號頻寬的雜訊。其原理如參考圖2所示。

為了獲得最大動態範圍,在輸入端使用儀表放大器將極低訊號放大100倍。有關雜訊的一些注意事項,請參考以下:

對於 > 126dB的動態範圍要求,在3V (6V pp)輸入訊號時產生的最大雜訊級為1µV rms。AD7985是具有2.5MSPS的16位元SAR轉換器。如果它以600kSPS (低功率損耗為11mW)和72過採樣係數運行,則產生大約8kSPS的採樣率,因此頻寬為4kHz。在這些條件下,將產生最大15.8nV/√Hz的雜訊密度(ND)。該值對於選擇正確的儀表放大器而言相當重要。

ADC通常具有89dB的SNR,而係數為72的過採樣會額外增加18dB,因此仍需要大約20dB才能達到126dB的目標,這是儀表放大器的任務。AD8253的增益為100時,其值為11nV/√Hz。下方用作ADC驅動器和用於位準調節的AD8021又增加了2.1nV/√Hz的雜訊。

圖2:過採樣的增加消除了部分雜訊

類比訊號鏈由基準電壓ADR439 (或REF194)以及ADA4004-2所完成,其作為基準緩衝區和驅動器,用於產生偏移電壓。

除類比路徑中的零組件外,FPGA (或處理器)對電路性能也很重要。關鍵任務是將儀表放大器的增益從1切換為100。為此,對許多閾值進行了編程以確保ADC不飽和。因此,AD8253在輸入電壓高達20mV左右時以100為增益運行,這使得ADC輸入端的最大電壓達2.0V。之後,FPGA將AD8253的增益降至1且沒有延遲,以防止過載(見圖3)。

圖3:增益開關示例

電路的變化可透過ADC操作(如16位元1 MSPS的AD7980、18位元1 MSPS的AD7982,或18位元、2MSPS的AD7986)等。同樣地,不使用增益為1、10、100和1000的AD8253,也可改用具有較低範圍的AD8251等儀表放大器(增益為1、2、4和8),參考電壓的選擇也可能會有所變化。