采用ADAS3023同步数据采集系统电路 —电路图天天读（37）

　　ADAS3023是一款完整的16位逐次逼近型模数转换器数据采集系统。该器件能够以高达500 kSPS的速率同时对双通道进行采样、以250 kSPS的速率同时对四通道进行采样、以167 kSPS的速率同时对六通道进行采样，以及以125 kSPS的速率同时对八通道进行采样；采用ADI专利的iCMOS®高压工业工艺技术制造，ADP1613用于低成本SEPIC-uk拓扑，是ADAS3023在外部5 V电源供电情况下，为其提供20 mA时所需±15 V高压稳定电源以及最大值为3 mV的低输出纹波的理想选择。ADP1613尽可能地减少了外部元器件数目，并且具有超过86%的效率，因此它能满足ADAS3023的规格要求。集成8通道、低泄漏、采样保持、可编程增益仪表放大器级，具有高共模抑制特性，提供4个差分输入范围、一个精密低漂移4.096 V基准电压源和缓冲器，以及一个16位电荷再分配逐次逼近型寄存器模数转换器。使用±15 V电源时，ADAS3023能解析的差分输入范围高达±20.48 V，ADAS3023在各通道输入与公共参考之间使用差分输入结构，所有通道同时采样。显示了这些输入的等效电路。二极管为模拟输入和COM提供针对高压电源的ESD保护。应确保模拟输入信号不超过供电轨0.3 V以上，否则会造成二极管正偏，并开始传导电流。超出绝对最大额定值的电压可能导致ADAS3023永久性损坏。

　　采集系统电路设计

　　ADP1613用于低成本SEPIC-uk拓扑，是ADAS3023在外部5 V电源供电情况下，为其提供20 mA时所需±15 V高压稳定电源以及最大值为3 mV的低输出纹波的理想选择。ADP1613尽可能地减少了外部元器件数目，并且具有超过86%的效率，因此它能满足ADAS3023的规格要求。如图为采集系统电路设计。

　　等效模拟输入电路设计

　　在各通道输入（IN0至IN7）与公共参考（COM）之间使用差分输入结构，所有通道同时采样。图39显示了这些输入的等效电路。二极管为模拟输入（IN0至IN7）和COM提供针对高压电源（VDDH和VSSH）的ESD保护。应确保模拟输入信号不超过供电轨0.3 V以上，否则会造成二极管正偏，并开始传导电流。超出绝对最大额定值的电压可能导致ADAS3023永久性损坏。

　　内部基准电压源设计

　　精确的内部基准电压源经过工厂调整，适合大部分应用。将CFG寄存器中的REFEN位置1（默认值）则使能内部基准电压源，并可在REF1和REF2引脚上产生4.096 V电压；该输出电压用作主要的系统基准电压。未经缓冲的2.5 V（典型值）带隙基准电压输出至REFIN引脚，需采用外部10 μF和0.1 μF电容的并联组合以降低输出端噪声。REFIN的电流输出有限，如果后接一个适当的缓冲器，如AD8031等，则它可以用作一个源。由于内部放大器使用固定增益，REFIN输出的负载过高会降低4.096 V系统的基准电压。内部基准电压输出经过调整后达到预期的4.096 V，初始精度为±8 mV。基准电压还经过温度补偿，典型温漂为±5 ppm/°C。使用内部基准电压源时，ADAS3023应按照图42所示进行去耦。REF1和REF2连接均短接在一起，并利用REFIN输出和RCAP内部调节电源上的适当去耦电容去耦。

　　外部基准电压源和内部缓冲器设计

　　当采用通用系统基准电压源，或者要求具有更佳的漂移性能时，则需使用外部基准电压源和内部缓冲器。将REFEN位设置为0便可禁用内部带隙基准电压源，允许用户向REFIN引脚提供外部基准电压（典型值为2.5 V）。内部缓冲器保持使能状态，因此无需使用外部缓冲器放大器，即可产生主要的系统基准电压。当REFIN = 2.5 V且REF1、REF2输出4.096 V时，这将是系统的主要基准电压。就本配置而言，如图43所示连接外部基准电压源。由于内部缓冲器可处理ADAS3023基准电压要求的动态变化，因此任何2.5 V的基准电压均可用于此配置。

　　外部基准电压源设计

　　对于需要精确、低漂移、4.096 V基准电压的应用，可以使用外部基准电压源。在这种模式下，禁用内部缓冲器需要将REFEN置位为0，并将REFIN驱动或连接至AGND，因此需要硬件和软件两种控制。若仅驱动REF1和REF2引脚但却没有禁用内部缓冲器，则会导致驱动放大器的输出端发生源电流/吸电流冲突。将4.096 V精密基准电压源直接连到REF1和REF2，以作为系统的主基准电压（参见图44）；推荐两种基准电压源ADR434或ADR444。若使用运算放大器作为外部基准电压源，则在驱动容性负载方面需多加留意。

　　内核电源设计

　　AVDD和DVDD引脚分别为ADAS3023的模拟和数字内核供电。这些电源需要足够的去耦，每个电源上至少包括一个10 F电容和100 nF电容。100 nF电容应尽可能靠近ADAS3023。为了减少所需电源的数量，DVDD可以通过一个简单的RC滤波器（连接在AV D D与DVDD之间）从模拟电源供电。

　　ADAS3023通过消除信号缓冲、电平转换、放大/衰减、共模抑制、建立时间简化了设计挑战，也避免了其他模拟信号调理挑战，同时实现更小的尺寸、更短的上市时间和更低的成本。可编程增益ADAS3023集成一个可编程增益仪表放大器（PGIA），它具有四个可选范围。PGIA设置由一个输入引脚和COM引脚上的最大绝对差分输入电压确定。上电与默认条件预设为±20.48 V （PGIA = 11）输入范围。由于ADAS3023能够采用任何输入类型，比如双极性单端或伪双极性等，因此必须设置PGIA以充分利用器件允许的输入范围。您觉得这一款完整的16位逐次逼近型模数转换器性能如何，在未来电子设计中还有什么需要改进的地方？

　　图中的电路是一款完整的18位、5 MSPS、低功耗、低噪声、高精度数据采集信号链解决方案，功耗仅122 mW。基准电压源、基准电压源缓冲器、驱动放大器和ADC提供优化解决方案，具有业界领先的99 dB SNR和−117 dB THD。由于具有功耗低和PCB尺寸小的特点，该电路适合便携式应用。

　　ADA4897-1是驱动高精度、18位、5 MSPS SAR ADC AD7960 的理想选择。ADA4897-1是一款低噪声（1 nV/√Hz典型值）和低功耗（3 mA）轨到轨输出放大器，带宽为230 MHz，压摆率为120 V/μs，0.1%建立时间为45 ns，运算放大器的输入信号经820Ω/100 pF网络过滤，该网络带宽为2 MHz。针对AD7960 ADC输入的额外过滤由33Ω/56 pF网络提供，该网络带宽为86 MHz。后一个滤波器有助于降低来自AD7960容性DAC输入的反冲，并限制进入AD7960输入端的噪声。电路使用+7 V和-2.5 V电源，用于ADA4897-1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。ADA4897-1 具有轨到轨输出级，可摆幅至每供电轨的150 mV以内。+7 V 和−2.5 V电源提供的额外裕量具有出色的失真性能。AD7960差分输入范围由5 V或4.096 V外部基准电压源设置。图1中，5 V基准电压源由 ADR4550提供，该基准电压源具有高精度、低功耗（950μA最大工作电流）、低噪声特性，最大初始误差为±0.02%，提供出色的温度稳定性和低输出噪声性能。 AD8031用于缓冲外部基准电压源和AD7960的共模输出电压，适合各种应用，从高带宽电池供电系统到元器件密度要求具有更低功耗的高速系统。 AD8031具有大容性负载稳定性，可驱动去耦电容，用于最大程度降低瞬态电流引起的电压尖峰。数字接口使用低电压差分信号（LVDS）实现高数据传输率。用户必须对AD7960施加LVDS CLK+/CLK− 信号，才能向数字主机传输数据。

　　图1. 18位、5 MSPS信号链（未显示所有连接和去耦）

　　AD7960是一款5MSPS、18位转换器，具有±0.8 LSB INL、 ±0.5 LSB DNL、100 dB DR，功耗仅为46.5 mW。如图1所示， AD7960采用+5 V （VDD1）和+1.8 V（VDD2、VIO）电源。使用 ADP7104 和 ADP124等LDO可产生所需的5 V和1.8 V电源。AD7960可将一对反相模拟输入信号（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+5V基准电压，还可缓冲 AD7960的共模输出电压（VCM）。ADA4897-1配置为单位增益缓冲器，以0 V至5 V相位相反的差分对（180°反相）驱动 AD7960的输入。图2显示典型积分非线性与AD7960输出代码的函数关系，并位于±0.8 LSB的规格范围内（采用5 V外部基准电压源）。

　　电路常见变化

　　AD7961是一款16位、5 MSPS PulSAR®差分ADC，与AD7960 PulSAR®系列引脚兼容，因此如果只要求具有16位性能时，可代替图1电路中的AD7960使用。AD7960系列支持4.096 V 或5 V外部基准电压源。EVAL-AD7960FMCZ板允许通过跳线选择 ADR4540 （4.096 V） 或 ADR4550 （5 V） 。连接基准电压源的各种选项可通过AD7960的EN［0:3］使能引脚控制，如AD7960数据手册中所述。若需0 V至5 V输入范围，则ADR4550基准电压源可与 AD8031 基准电压源缓冲器一同使用。可以通过将AD7960的使能引脚设为EN［0:3］ = ‘X001’ or ‘X101’实现。

　　电路评估与测试

　　开发了 EVAL-AD7960FMCZ 评估板来评估和测试AD7960 ADC。为了测试图1中的电路，使用两个ADA4897-1运算放大器驱动AD7960。　EVAL-AD7960FMCZ用户手册UG-490提供详细的原理图和用户指南。该文档描述如何运行本电路笔记中涉及的 AC/DC测试。请注意， 用户可采用外部双电源， 选择性为EVALAD7960FMCZ 板上的输入放大器提供+7 V和−2.5 V电源。评估板的照片如图所示。

　　在本设计中，小编认为，如果需要，ADA4897-1和AD8031单通道运算放大器可用它们的双通道版本（分别为ADA4897-2和 AD8032）来替代，具体在哪种运用环境替换，性能会怎样呢，您怎么看？如果获得最佳的噪声和失真性能，个人觉得必要时可在电路中使用具有单位增益稳定、超低失真、1 nV/√Hz电压噪声的运算放大器ADA4899-1 （15 mA）代替ADA4897-1，这个您怎么看！不妨大家讨论一下～～～