12位、1 MSPS、單電源、低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

連接/參考器件

AD7091R 超低功率、12位、1 MSPS ADC

AD8031 2.7 V、800 μA、80 MHz軌到軌I/O單路放大器

評估和設(shè)計支持

電路評估板

AD7091R評估板(EVAL-AD7091RSDZ)

系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

設(shè)計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1中的電路是超低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用12位、1 MSPS SAR ADC AD7091R 和運算放大器驅(qū)動器AD8031，電路的總功耗低于5 mW，采用3 V單電源供電。

所選器件的低功耗和小封裝尺寸使得這種組合成為業(yè)界領(lǐng)先的便攜式電池供電系統(tǒng)解決方案，在這種系統(tǒng)中功耗、成本和尺寸極為關(guān)鍵。

當(dāng)VDD引腳為3 V時，AD7091R的電源電流典型值僅為350 μA，遠低于目前市場上的任何ADC競爭產(chǎn)品。這意味著典型功耗約為1 mW。

AD8031僅需800 μA的電源電流，電源電壓為3 V時的典型功耗為2.4 mW，在10 kHz模擬輸入信號下以1 MSPS的速率進行采樣時，系統(tǒng)總功耗低于5 mW。

電路描述

針對模擬信號，大多數(shù)SAR ADC需要合適的輸入緩沖器以獲得最佳性能。當(dāng)內(nèi)部采樣保持開關(guān)從保持切換到采樣時，緩沖器可將信號源與ADC輸入產(chǎn)生的瞬變相互隔離。驅(qū)動ADC的緩沖器必須從該瞬變中恢復(fù)，并在ADC采集時間之內(nèi)建立至所需精度。這在信號源具有高阻抗，并且低失真和高信噪比極為關(guān)鍵的應(yīng)用中尤為重要。因此，選擇合適的緩沖器運算放大器便成為該設(shè)計中極為重要的一個環(huán)節(jié)。

AD7091R是一款12位、快速、超低功耗、單電源供電ADC，集成2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。該器件可采用2.7 V至5.25 V電源供電。AD7091R的吞吐速率可達1 MSPS。當(dāng)輸入信號為10 kHz、采樣速率為1 MSPS時，該器件的總功耗約為2.3 mW。

在無需1 MSPS采樣頻率的應(yīng)用中，這一數(shù)字將下降，因為AD7091R的功耗與吞吐速率成正比，如表1所示。

可通過降低轉(zhuǎn)換器的吞吐速率而進一步降低功耗。表1顯示當(dāng)電源為3 V且器件工作在普通模式下，AD7091R的典型功耗與吞吐速率的關(guān)系。

表1表示激活關(guān)斷模式后可減少的功耗。當(dāng)AD7091R工作在較低的吞吐速率時，關(guān)斷模式對于大幅度降低電源需求極為有效。

AD7091R采用小型3 mm × 2 mm、10引腳LFCSP或3 mm × 5 mm、10引腳MSOP封裝。兩款封裝與同類競爭解決方案相比，大幅度節(jié)省了空間。

AD8031是一款低功耗軌到軌輸入/輸出運算放大器，是AD7091R驅(qū)動放大器的優(yōu)化版本。AD8031采用2.7 V至12 V電源供電，支持通過一個供電軌驅(qū)動兩個IC。AD8031帶寬為80 MHz，壓擺率為30 V/μs，達到0.1%精度的建立時間為125 ns。

當(dāng)采用單電源工作時，AD8031的輸出可達負供電軌的20 mV以內(nèi)。若要達到0 V輸入的線性度，則AD8031需要一個額外的負電源(參考指南MT-035)。

圖1顯示了簡化電路圖。使用100 nF和10 μF陶瓷電容可對IC電源引腳實現(xiàn)良好的接地去耦。將這些電容放置于盡可能靠近兩個IC的電源引腳的位置。

切記，該ADC的模擬輸入信號不能超過供電軌300 mV以上。如果信號超過此電平，內(nèi)部ESD保護二極管將呈正偏，并開始向基板內(nèi)傳導(dǎo)電流。二極管的最大導(dǎo)通電流為10 mA，不會導(dǎo)致不可恢復(fù)的器件損壞?？赏ㄟ^在VIN和AD7091R的電源供電軌之間連接一對肖特基二極管達到保護的作用，如指南MT-036中所描述。

AD7091R集成了一個內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓。針對REFIN/REFOUT引腳的良好去耦可達到指定的性能。REFIN/REFOUT電容的典型值為2.2 μF。注意可通過外部加載內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。

若使用了外部基準(zhǔn)電壓，則該電壓范圍必須為2.7 V至VDD，并且必須連接REFIN/REFOUT引腳。調(diào)節(jié)器旁路(REGCAP)去耦電容的典型值為1 μF。

施加于VDRIVE輸入的電壓控制串行接口的邏輯電平電壓。將該引腳連接至邏輯系列的電源電壓，該電源電壓與AD7091R數(shù)字輸出相連?？蓪DRIVE設(shè)為1.8 V至VDD范圍內(nèi)的值。VDRIVE去耦電容的典型值為100 nF，與10 μF并聯(lián)。

若需忙碌指示功能，可在VDRIVE和SDO引腳之間連接一個100 kΩ的上拉電阻。

用于緩沖AD7091R模擬輸入的AD8031被配置成一個單位增益緩沖器。在運算放大器的輸出級后面連接一個單極點RC濾波器，以降低帶外噪聲。RC濾波器的截止頻率設(shè)為660 kHz。然而，根據(jù)系統(tǒng)吞吐速率的要求，該參數(shù)可能有所不同。對于AD7091R未工作在最大吞吐速率下的系統(tǒng)，可降低濾波器的截止頻率。取決于模擬信號的輸入幅度和失調(diào)，可將AD8031運算放大器配置成提供增益、衰減和電平轉(zhuǎn)換，以匹配ADC模擬輸入范圍的輸入信號擺幅。

表1. AD7091R在3 V、普通模式下的典型功耗與吞吐速率的關(guān)系

注意，采樣時轉(zhuǎn)換開始脈沖寬度 = 20 ns，VDD = VDRIVE = 3 V。

圖2和圖3表示電路的積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)曲線。注意INL和DNL低于±1 LSB。

圖4表示針對8192個樣本計算的FFT數(shù)據(jù);采樣速率為1 MSPS，模擬輸入頻率為10 kHz。SNR為70.44 dBFS。

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該電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板(PCB)上。為實現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)(請參考指南MT-031、指南MT-101以及CN-0247設(shè)計支持包中展示的AD7091R評估板布局)。

根據(jù)應(yīng)用和傳感器的具體要求，可以更改AD7091R和AD8031周圍的器件值。例如，可配置緩沖器以提供增益和失調(diào)，并且RC濾波器的截止頻率可根據(jù)采樣頻率和輸入頻率而變化。

有關(guān)完整的文檔包，包括原理圖、電路板布局以及物料清單(BOM)，請參考http://www.analog.com/CN0247-DesignSupport

電路評估與測試

為了評估和測試AD7091R與本電路筆記所述電路，我們開發(fā)了評估板EVAL-AD7091RSDZ。有關(guān)詳細的原理圖和用戶指南，請參考EVAL-AD7091RSDZ文檔。圖5顯示測試設(shè)置的功能框圖。

設(shè)備要求

為測試該電路，需要如下設(shè)備：

· EVAL-AD7091RSDZ評估板(包括軟件和9 V直流壁式電源適配器)

· EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺電路板

· 一個低失真信號發(fā)生器，如Agilent 81150A或Audio Precision System Two 2322

· 帶USB 2.0端口的PC，運行Windows® XP、Windows Vista或Windows 7(32位或64位)

· 電源：9 V直流壁式電源適配器(包括在評估板中，外部3 V / 50 mA直流電源)

設(shè)置

連接任何硬件之前，確保EVAL- AD7091RSDZ評估板上的連接位置如下：

· LK1：位置A(選擇AD8031作為輸入緩沖器)

· LK2：位置A(輸入J5連接至輸入緩沖器)

· LK5：位置A(使能外部VDRIVE源)

· LK6：位置B(使能外部VDD源)

之后，根據(jù)評估板文檔中所述連接硬件并安裝軟件。

測試

請參考評估板文檔，查看如何運行本電路筆記中所述各種測試的完整描述。