ADI工程师博客分享——如何正确驱动SAR ADC前端

作者: AnneM,ADI网络工程师

关于如何正确驱动SAR ADC前端的话题,ADI提供了相当多的指南。例如,在SAR ADC数据手册中,您常常会看到“推荐驱动放大器”列表,AD7980数据手册 第16页上就有这样的表格,如下所示:

数据手册中常常还有关于RC滤波器元件起始值的指南,如 AD7980数据手册 第15页上所示:

关于ADC驱动器指南的其他资源还有:

欲深入了解此话题,模拟对话文章《精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计》是非常不错的资源。 这里将帮助您了解SAR ADC驱动的基本考虑,并且帮助您定制驱动器电路设计以更好地满足具体应用要求。

我们正在努力将所有这些资源里相关的一些知识和计算整合到一个新的网络工具中——我们已经推出了该工具的“草稿”版本以供初步测试和反馈:

playground.analog.com/sardriverproto

我们将继续开发此工具,改进其功能和外观。收到该工具早期版本的反馈,对于我们决定将在哪些特性上下功夫将非常有帮助。关于此工具的反馈和讨论可点击工具窗口右上角的“帮助我们完善此工具”。

要使用此工具,您首先要提供电路设计信息:选定的ADC和采样速率,选定的放大器/驱动器和电路信息,输入信号频率,RC滤波器值。

工具将基于这些设置在四个选项卡上产生插图/图表。“电路”选项卡显示输入面板中提供的电路信息。例如,若从AD7980数据手册中的推荐RC值开始,并使用推荐的一款驱动器,那么输入设置和电路选项卡将如下图所示:

注意输入值——AD7980在1MSPS下工作,ADA4805为同相配置,增益为1,10kHz输入频率,RC滤波器值为20Ω和2.7nF。

专业提示:当您使用此工具时,URL会持续更新以反映您输入的配置。如果您想“保存”您在工具中所做的工作,只需复制和粘贴URL,利用它重新打开工具,它将回到您上次离开的地方。

电路设置完毕后,您可看看其他选项卡以检查性能。“噪声和时钟”选项卡将显示并估计ADC和驱动器的综合性能。在这个早期版本中,您可以看到,ADC性能与输入频率的关系曲线为绿色,驱动器性能曲线为蓝色。综合性能曲线为红色,同时工具页面底部的“噪声性能”表中会显示其摘要。

在本例中,可以看到驱动器并没有使整体系统性能降低很多。系统性能以ADC为主。您还可以将工具估计结果与数据手册SINAD曲线进行比较:

查看“正弦响应”选项卡,可以看到正弦误差非常小(小于1/2 LSB),这意味着RC值的选择使得ADC输入能够在每次反冲事件之后、采集周期结束之前正确建立。

看一下“阶跃响应”选项卡——此选项卡仿真电路的建立行为,假设使用多路复用输入,其中包括驱动器的压摆率和RC滤波器的效应。

对于复用输入,输入值可以在复用输入引脚之间大幅摆动,我们可以假设最差情况为输入电压在满量程电压范围内摆动。查看“阶跃响应”选项卡,我们可以看到对于多路复用设置,输出电流设计不能及时建立。(可以看到,电压在转换周期结束时恰好建立,但在反冲后无法在采集周期结束时及时恢复。)

通过此例,我们可以发现我们的工作在反冲后还没有结束。如果我们调整RC值,切换到 18Ω和2.2nF值,那么电路将及时建立至1/2 LSB。

您是否能将此工具用于自己的设计?您是否觉得它有用?我们可以做何改进? 欢迎点击工具窗口右上角的“帮助我们完善此工具”。

Top Replies

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    •  Analog Employees 
    on Jun 8, 2017 1:07 PM over 3 years ago

    以下内容是网友就此新网络工具与 AnneM 的讨论,顺便也分享下~ 当然,你也可以就此工具提出自己的建议或意见哦

                   

    网友:这是一款很棒的工具!我想构建一个电阻抗测量设备,现在我需要为AD4001/AD4003设计一个ADC前端。将一个小电流(大约1mA,1MHz频率)注入人体(从左耳到右耳),我们需要测量前额上两个电极的差动电压。我认为要采样的信号是一个小信号(Vpp<1V),共模电压相对较大(从-10V到10V)。

    此工具中还没有AD400x,因此我转而选择AD7986和ADA4940-1。然而,对于一个单音750KHz信号,报告显示的ENOB只有大约5位;对于1MHz信号,ENOB小于3位。这很奇怪,我原以为低于奈奎斯特频率的采样能够以2MSPS采样1MHz的单音信号。

    AnneM:该工具正确反映了AD7986失真性能在较高频率时大幅降低。就此我询问了一位ADC专家,他说AD7986的输入采样开关在较高频率时表现出更大的非线性,这就是引起失真的原因。

    他推荐您使用最初选择的AD4001/AD4003,其高频性能应该会好很多(参见AD4003数据手册的图37)。我们计划将AD400x器件纳入工具中,但正如您注意到的,它们目前还不在工具中。

    网友:我会把前端设计工具加入书签,以便检查AD4003/AD4001何时添加到列表中。现在我只能复制CN0385和UG1042中的参考设计,这些资料声称它能在750KHz时可靠地采样。

    除了AD400x,也可将一些新的运算放大器添加到此工具中,比如ADA4917和ADA49XX系列中的一些运算放大器。如果这个工具能与有源滤波器设计工具合并,结果会更好。

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    •  Analog Employees 
    on Jun 8, 2017 1:07 PM over 3 years ago

    以下内容是网友就此新网络工具与 AnneM 的讨论,顺便也分享下~ 当然,你也可以就此工具提出自己的建议或意见哦

                   

    网友:这是一款很棒的工具!我想构建一个电阻抗测量设备,现在我需要为AD4001/AD4003设计一个ADC前端。将一个小电流(大约1mA,1MHz频率)注入人体(从左耳到右耳),我们需要测量前额上两个电极的差动电压。我认为要采样的信号是一个小信号(Vpp<1V),共模电压相对较大(从-10V到10V)。

    此工具中还没有AD400x,因此我转而选择AD7986和ADA4940-1。然而,对于一个单音750KHz信号,报告显示的ENOB只有大约5位;对于1MHz信号,ENOB小于3位。这很奇怪,我原以为低于奈奎斯特频率的采样能够以2MSPS采样1MHz的单音信号。

    AnneM:该工具正确反映了AD7986失真性能在较高频率时大幅降低。就此我询问了一位ADC专家,他说AD7986的输入采样开关在较高频率时表现出更大的非线性,这就是引起失真的原因。

    他推荐您使用最初选择的AD4001/AD4003,其高频性能应该会好很多(参见AD4003数据手册的图37)。我们计划将AD400x器件纳入工具中,但正如您注意到的,它们目前还不在工具中。

    网友:我会把前端设计工具加入书签,以便检查AD4003/AD4001何时添加到列表中。现在我只能复制CN0385和UG1042中的参考设计,这些资料声称它能在750KHz时可靠地采样。

    除了AD400x,也可将一些新的运算放大器添加到此工具中,比如ADA4917和ADA49XX系列中的一些运算放大器。如果这个工具能与有源滤波器设计工具合并,结果会更好。

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