優(yōu)化18位、250 KSPS、PULSAR測量電路的交流性能

電路功能與優(yōu)勢

選擇高性能ADC的配套產(chǎn)品是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。圖1所示電路是一種用于18位、250 kSPS PulSAR® ADC的完整前端解決方案，專門針對交流性能而優(yōu)化。

該電路以AD7691為中心，后者是一款PulSAR系列低功耗ADC（2.5 V、100 kSPS時為1.35 mW）。該ADC由超低失真、超低噪聲放大器AD8597直接驅(qū)動，其基準(zhǔn)電壓源是超低噪聲5 V ADR435。采用1 kHz輸入音時，電路信噪比(SNR)為101 dB，總諧波失真(THD)為118 dB。

圖1. 高性能、18位ADC前端（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

電路描述

此電路的核心部分是一款18位、250 kSPS電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) AD7691，采用單電源供電。

它內(nèi)置一個低功耗、高速、18位無失碼的采樣ADC、一個內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘和一個多功能串行接口端口。在CNV上升沿，該器件對IN+與IN-引腳之間的電壓差進行采樣。這兩個引腳上的電壓擺幅在0 V至REF之間、相位相反。基準(zhǔn)電壓(REF)由外部提供，最高可設(shè)置為電源電壓，AD7691功耗和吞吐速率呈線性變化關(guān)系。

在為本電路筆記執(zhí)行的實驗中，AD7691與SDP（系統(tǒng)演示平臺板，EVAL-SDP-CB1Z）接口，ADC SPI兼容串行接口則連接到DSP SPORT接口VIO電源。

AD7691采用10引腳MSOP或10引腳QFN (LFCSP)封裝。

該ADC由AD8597（每個放大器4.8 mA）驅(qū)動，是一款低噪聲、低失真運算放大器，非常適合用作輸入緩沖器。AD8597在音頻頻率上具有低噪聲(1.1 nV/√Hz)和低諧波失真（小于−120 dB）特性，能夠達到音頻、醫(yī)療和儀器儀表應(yīng)用中對前置放大器的較寬動態(tài)范圍要求。此外還具有出色的壓擺率(14 V/μs)和10 MHz增益帶寬積，非常適合醫(yī)療應(yīng)用。

AD8597可以采用高達±15 V的電源電壓工作。為了將功耗降至最低，該電路中選擇+8 V和−2 V的電源電壓。

AD8597提供8引腳SOIC和LFCSP兩種封裝，180 Ω電阻和2.7 nF電容構(gòu)成單極點327 kHz低通濾波器，以進一步降低噪聲。        

此應(yīng)用中使用的基準(zhǔn)電壓源是ADR435，是XFET®系列基準(zhǔn)電壓源之一，具有低噪聲、高精度和低溫度漂移性能。利用溫度漂移曲率校正專利技術(shù)和XFET（外加離子注入場效應(yīng)管）技術(shù)，可以使電壓隨溫度的變化降至最小。

ADR43x系列的源電流輸出最高達30 mA，最大吸電流能力為20 mA。它還具有調(diào)整引腳，可以在0.5%范圍內(nèi)調(diào)整輸出電壓，而性能則不受影響。

ADR435提供8引腳MSOP或8引腳窄體SOICC封裝。[!--empirenews.page--]

上述配置的動態(tài)性能如圖2和圖3所示，總結(jié)如下：

信噪比(SNR) = 101.02dB

總諧波失真(THD) = 118.44 dB

信納比(SINAD) = 100.94 dB

動態(tài)范圍 = 101.5 dB

圖2. 評估板軟件輸出屏幕捕獲

圖3. 250 kSPS時1 kHz音采樣的FFT細節(jié)

常見變化

PulSAR系列的其它引腳兼容18位ADC提供更高的采樣速率：AD7690(400 kSPS)、 AD7982 (1 MSPS)、AD7984(1.33 MSPS)。

AD7986 (2 MSPS)提供20引腳4 mm × 4 mm LFCSP (QFN)封裝。

AD8599 運算放大器是AD8597的雙通道版本，需要時可以用于該電路。

ADA4841-1 （單通道）和ADA4841-2（雙通道）均為較低功耗的運算放大器（每個放大器1.1 mA），但噪聲略高(2.1 nV/√Hz)。

ADA4941-1針對驅(qū)動差分輸入18位ADC而優(yōu)化，每個放大器功耗為2.2 mA，噪聲為10.2 nV/√Hz。

ADI公司的ADR43x系列或其它基準(zhǔn)電壓源系列提供其它基準(zhǔn)電壓。

雖然通過內(nèi)置緩沖器生成VCM信號來偏置輸入非常普遍，但是此電路無需緩沖器即可實現(xiàn)額定性能。[!--empirenews.page--]

電路評估與測試

設(shè)備要求（可以用同等設(shè)備代替）

EVAL-CN0261-SDPZ電路評估板

系統(tǒng)演示板(EVAL-SDP-CB1Z)

函數(shù)發(fā)生器、Audio Precision SYS-2522

外部10 nF陶瓷濾波器電容，如圖4所示

電源：+8 V (50 mA)、−2 V (50 mA)、+5 V (500 mA)。

帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）PC

設(shè)置和測試

交流性能測量設(shè)置的框圖如圖4所示。EVAL-CN0261-SDPZ板由臺式電源驅(qū)動，如圖所示。

為測量頻率響應(yīng)，設(shè)備按圖5所示進行連接。Audio Precision SYS-2522設(shè)置為以低于滿量程0.5 dB的輸入信號電平的條件下輸出1 kHz音。外部10 nF電容用作信號發(fā)生器輸出端的低通降噪濾波器。然后，利用評估板軟件采集并分析FFT數(shù)據(jù)。

軟件分析是評估板軟件的一部分，使用戶可以采集并分析直流或交流性能。

除交流性能以外，評估板軟件還允許用戶分析波形數(shù)據(jù)并繪制所測輸入信號的直方圖。

圖4. 用于測量交流性能的測試設(shè)置