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如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?

发布时间:2018-01-09 来源:Maithil Pachchigar ADI公司应用工程师 责任编辑:wenwei

【导读】你使用过任何ADC(Δ-Σ或SAR)并使其工作在过采样模式下吗?你是否得到了需要的结果?你遇到过什么问题吗?以前有些关于Δ-Σ和SAR(逐次逼近型)ADC概述中,曾讨论过信噪比(SNR)和有效位数(ENOB)相关的过采样技术。过采样技术最常用于Δ-Σ型ADC,但也可用于SAR ADC。今天我们将对此做进一步讨论。
 
过采样描述
 
过采样是一种高性价比的过程,以大幅高于奈奎斯特频率的速率对输入信号进行采样,提升SNR和分辨率 (ENOB),同时还能降低抗混叠滤波器的要求。原则上讲,对ADC进行4倍过采样可额外提供1位分辨率,或增加6 dB的动态范围。提升过采样率(OSR)可降低整体噪声并增加DR,因为过采样为ΔDR = 10log10 (OSR),单位dB。
 
类似于Δ-Σ型ADC过采样、高吞吐速率SAR ADC过采样还能改善抗混叠性能,并降低总噪声。很多情况下,过采样是Δ-Σ型ADC的固有属性,可以顺利实现,并且集成数字滤波器和抽取功能。然而,Δ-Σ型ADC通常不适合用于输入通道间的快速切换(多路复用)。如图1所示,Δ-Σ型ADC基本过采样调制器对量化噪声进行整形,使其大部分出现在目标带宽以外,从而增加低频下的整体动态范围。然后,数字低通滤波器(LPF)过滤目标带宽以外的噪声,抽取器降低输出数据速率,使其回落至奈奎斯特速率。
 
如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?
图1. 奈奎斯特转换器过采样
 
5 MSPS、18/16位精密转换器
 
关于其实际工作原理的示例,可参考AD7960和AD7961器件。这两款器件分别是18/16位ADC,最高转换速率为5 MSPS。它们使用专有的容性数模转换技术,可降低噪声并改善线性度,同时不会产生延迟或流水线延迟。由于兼具低RMS噪声和高吞吐速率性能,因而实现了低噪底。这使得这些ADC适合于过采样应用。
 
AD7960/AD7961系列采用1.8 V和5 V电源供电,在自时钟模式下进行转换时,5 MSPS速率的功耗仅为39 mW;而在回波时钟模式下进行转换时,5 MSPS速率的功耗为46.5 mW。如图2所示,功耗随吞吐速率线性变化,使其非常适合低功耗便携式应用。
 
如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?
图2. AD7960功耗与吞吐速率的关系
 
AD7960/AD7961评估设置
 
AD7960/AD7961系列可将反相模拟输入信号(IN+和IN−)的差分电压转换为数字输出信号。模拟输入IN+和IN−要求共模电压等于基准电压的一半。低噪声、低功耗放大器AD8031缓冲来自低噪声、低漂移ADR4550的5 V基准电压,还可缓冲AD7960/AD7961的共模输出电压(VCM)。
 
低噪声和超低失真ADA4899-1配置为单位增益缓冲器,并以0 V至5 V差分反相(相互之间呈180°反相)驱动AD7960/AD7961的输入。电路使用+7 V和−2.5 V电源,用于ADA4899-1驱动器的输入,以最大程度降低功耗,实现最佳系统失真性能。使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板评估设置简化原理图如图3所示。
 
如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?
图3. AD7960/AD7961评估设置的原理示意图(未显示所有去耦)
 
上述内容开始讨论了采用SAR ADC来降低噪声、增加动态范围和ENOB,方法是基于过采样——一般用于低速、高分辨率∆-Σ型ADC——其它器件较少采用。然后讨论了使用评估板和软件的SAR ADC测试结果。
 
接下里,我们将继续讨论AD7960/AD7961。我们还将讨论可用的评估板和软件,它们可以进行分析。我们将看到这些ADC的性能如何。通过ADC的FFT输出,使用评估板可轻松看出性能。
 
测量结果
 
过采样能力由AD7960/AD7961评估软件对ADC输出样本简单求平均而实现,也就是说,将ADC样本数量相加,然后除以过采样率,从而提升动态范围。该软件允许用户从配置选项卡的下拉菜单中选择高达256的过采样率,如图4所示。可实现的最大动态范围受限于系统的低频1/f噪声,该噪声在低于20 kSPS的较低输出数据速率下占主导地位。
 
如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?
图4. AD7960/AD7961评估软件面板
 
从直流到fs/2范围内的信号频谱以及平坦噪声如图5和图6所示,表示可对噪声进行过滤,使其降低至fs/(2 × OSR),以改善动态范围和SNR。此时,过采样动态范围是峰值信号功率与ADC输出FFT测量的噪声功率之比,测量范围为直流至fs/(2 × OSR),其中fs表示ADC采样速率。
 
如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?
图5. AD7960在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出
 
(OSR = 256,REF = 5 V)
 
如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?
图6. AD7961在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出
 
(OSR = 256,REF = 5 V)
 
如数据手册所述,采用5 V基准电压源时,AD7960和AD7961可分别实现100 dB和96 dB典型动态范围;因此理论上由于256过采样,我们应当看到动态范围增加了24 dB。
 
在实际中,这些器件测得的过采样动态范围分别为122 dB和119 dB,在19.53 kSPS输出数据速率下进行256倍过采样时无输入信号,这与理论计算值相比动态范围下降了1 dB到2 dB。它受到来自信号链组件、输入源和印刷电路板的低频噪声限制。采用1 kHz满量程正弦波输入信号时,这些器件分别可实现大约111 dB和110 dB的过采样SNR。图7显示AD7960如何随过采样率增加和输出数据速率下降而实现动态范围的增加。
 
如何利用过采样增加SAR ADC的动态范围?
图7. AD7960动态范围与输出数据速率的关系
 
应用示例
 
MRI系统工作频段为1 MHz至100 MHz RF,而计算机断层扫描(CT)和数字X射线工作在1016 Hz至1018 Hz频率范围内,并且需要让病人暴露在电离辐射下,会损害活组织。MRI梯度控制系统要求极高的动态范围、紧凑的线性度以及从DC到几十kHz的快速响应时间,并且要求在模拟或数字域中,其梯度精确控制到大约1 mA (1 ppm)以内,以增强图像质量。
 
使用具有优异规格数据的过采样SAR ADC (比如AD7960)可让设计工程师实现高动态范围,同时满足MRI系统的关键要求。这类系统要求可在医院或医生办公室中重复、长期稳定测量。设计工程师应当注意的其它要求是高分辨率、精度、低噪声、快速刷新速率和极低的输出漂移。
 
本文转载自亚德诺半导体。
 
 
 
 
 
 
 
 
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