用于精准测量和快速信号跟踪的高准确度 SAR ADC

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本文作者:

Alison Steer

凌力尔特公司  产品市场经理  混合信号产品

如今,高精度模数转换器 (ADC) 市场主要由 ΔΣ ADC 提供支持,这得益于其高动态范围、精准 DC 性能及合理的价格。按照设计,ΔΣ ADC 采用一个 ΔΣ 调制器和一个位于该调制器之后的数字抽取滤波器对输入信号进行过采样,因而产生低噪声、但缓慢的输出数据速率。过采样的一个额外优势是能够极大地简化外部模拟抗混叠滤波器,从而依赖数字滤波器以决定通带中的频率响应。

凌力尔特的新式 SAR ADC 技术把更高的性能带给了精准型应用,在 DC 规格指标 (INL、DNL、偏移、增益误差和稳定性) 方面可媲美最佳的 ΔΣ ADC,同时保持高采样速率和无延迟操作。快速采样 SAR ADC 常用于对低带宽信号实施过采样。传统的过采样允许使用一个抽取滤波器 (低通滤波器 + 降频采样),这增加了系统的动态范围。过采样的另一个好处是放宽了对模拟抗混叠滤波器的要求。在未采用过采样的场合,模拟抗混叠滤波器必需具有陡峭的滚降 (陡峭的过渡频带),由此增加了其复杂性。作为一种选择,过采样允许使用一个简单的低阶模拟滤波器与一个数字滤波器的组合以构成一个具非常陡峭滚降的等效混合模式抗混叠滤波器。然而,因此付出的代价是该滤波任务的负担被加到了主机处理器上,并需要采用一个速度较快的处理器以快得多的速率从 ADC 输出采集数据。

由于这些原因,凌力尔特正以不同的方式接近高精度市场;将其专有 SAR ADC 架构的高准确度和速度与集成型数字滤波器相整合。最新推出的产品是 LTC2508-32 和 LTC2512-24。LTC2508-32 是一款具集成型引脚可配置数字滤波器的 32 位 1Msps SAR ADC,专为低带宽、高精度应用而优化。LTC2512-24 是一款具集成滤波器的 24 位、1.6Msps SAR ADC,其专为较高带宽应用而优化。LTC2508-32 在 61sps 的最慢输出速率下实现了 145dB 的骄人动态范围,而 LTC2512-24 的目标则是在 50ksps 输出速率条件下提供 117dB 的动态范围。

ΔΣ ADC 的一个重要方面是调制器的输出不是直接可用的。就是说,它是一种具整形量化噪声和非常低 SNR 的低分辨率信号。人们采用各种不同的方法对 ΔΣ 调制器的量化噪声进行整形,将其推送至一个较高的频率 (在此频率上更容易滤除量化噪声),而让关注的信号占据滤波器通带中的较低频率。接着,对调制器的输出进行低通滤波以产生可用的转换结果。不过,由于其架构的本质,ΔΣ 调制器因其输出频谱中的寄生音调而受到损害。尽管它们可能很努力,但是来自调制器的寄生音调仍然会 (而且确实) 出现在通带之中。

在存在这些毛刺信号的情况下试图搜索一个小信号几乎是不可能的。逐次逼近寄存器型 (SAR) ADC 不会遭受该缺陷之苦,并且具有一个接近理想的白噪声功率谱。这将使得 SAR ADC 成为检测处于非常低能量水平的音调或振动之一种更佳选择。然而,许多 SAR ADC 在 16 位至 18 位分辨率水平上仍然因为 DC 转移函数中的不连续性而受到损害,因而牺牲了 DC 性能。

LTC2508-32 和 LTC2512-24 拥有良好的线性特性,无漏失码。这使得应用能够充分利用经滤波之输出数据的巨大动态范围。

凭借仅为 22nVRMS/√Hz 的噪声频谱密度,LTC2508-32 在 24 位或 32 位分辨率下可提供优于任何同类竞争 ADC 解决方案的噪声性能 (图 1)。与 ΔΣ 调制器输出不同,这款凌力尔特 SAR ADC 的输出具有平坦的噪声功率频谱密度,没有需要应付的音调。这意味着数字滤波器可针对最终应用的要求 (而不是以滤除调制器噪声和音调为目的) 任意地设计。LTC2508-32 滤波器是一种 “扩展 sinc” 架构,代表了在阻带抑制和稳定时间之间的一种谨慎选择的平衡。LTC2512-24 数字滤波器拥有延伸至 fO/4 (奈奎斯特区的一半) 之 “不打折扣” 的 0.001dB 通带平坦度。LTC2512-24 滤波器过渡区和阻带衰减不如许多 ΔΣ 滤波器那么富有 “侵略性”,因而可实现较快的稳定和较小的时域人为干扰。再一次地,使这样的滤波器具有实用性正是因为没有音调。

LTC2508-32 提供了 4 个引脚可选的抽取滤波器,这些滤波器的特性列于表 1。4 个不同的抽取滤波器使得设计师能够依据应用的选择在带宽和噪声之间进行权衡。对于 LTC2508-32 的每种配置,该数字滤波器是一种具线性相位响应的低通有限脉冲响应 (FIR) 滤波器。数字滤波器的输出随后利用对应的降频采样因子 (DF) 进行降频采样。于是,最终产生的输出数据速率 (fO) 等于 fSMPL/DF。在每种抽取滤波器选择中,-3dB 带宽与所选的 DF 值成反比。对于处在 fO/2 至 fSMPL – fO/2 范围内的频率,每种配置提供一个最小 80dB 的衰减。降频采样因子每增加 4 倍,ADC 动态范围扩大约 6dB,从而产生一个从 131dB (在 DF = 256) 至高达 145dB (在 DF = 16384) 的动态范围。这相当于一个 24 位的有效位数 (ENOB)。需注意的是,ADC 结果受限于一个品质特性噪声过程 (即:热噪声),而非其量化噪声,这一点很重要。这意味着 ADC 应提供比 ENOB 至少多几个位,对于一个 32 位输出字,LTC2508-32 提供足够数量的位,以采用整数字节来代表经过滤波的数据。

1LTC2508-32 中滤波器的特性

 

SEL1:SEL0

降频采样因子

(DF)

fSMPL = 1MHz

-3dB 带宽

fSMPL = 1MHz 时的输出数据速率 (ODR)

 

动态范围

00

256

480Hz

3096sps

131dB

01

1024

120Hz

796sps

136dB

10

4096

30kHz

244sps

141dB

11

16384

7.5kHz

61sps

145dB

 

LTC2508-32 的输出始终在 10 个输出采样中完全地稳定,这与 DF 无关。当降频采样因子增加时,带宽减小,从而限制了噪声并随后扩大了动态范围。当采用一个数值为 256 的降频采样因子时,滤波输出的 -3dB 带宽为 480MHz,并产生一个 3906sps 的输出数据速率。在 16384 的最高 DF 条件下,-3dB 带宽是很窄的 7.5Hz,可提供最高的噪声滤波水平,并产生 61sps 的最慢输出数据速率。

 

图 1:LTC2508-32 的阶跃响应

 

1LTC2508-32 的阶跃响应

 

此外,LTC2508-32 还提供了双数据输出流,即:输入信号的 32 位数字滤波版本,和一个直接来自前端 SAR 转换器的无延迟、22 位复合输出。无延迟输出字由一个代表差分输入的 14 位代码和一个代表输入共模电压的 8 位代码组成。无延迟输出在控制应用中特别适用于输入信号的快速跟踪和提供针对不断变化之负载情况的即时反馈。另外,它还可用于监视输入信号的质量和指示系统故障 (例如:通过检测有可能被数字滤波器隐藏的强噪声或振荡信号)。该信息可与 8 位共模值组合使用以提供预见性维护。共模电压的变化也许表示会使上游受扰,从而导致潜在的设备故障。对于设计人员来说,这看似两个 ADC 合为一体,提供了输入信号的完全匹配表示,并不受失配或漂移问题的制约。

LTC2512-24 提供了与 LTC2508-32 的很多相似之处,具有 4 个引脚可选的抽取滤波器,如表 2 所示。图 2 示出了数字滤波器从 DC 至 fO (输出数据速率) 的幅度响应。支持 4 至高达 32 的降频采样因子,降频采样因子每增加两倍将实现 3dB 的动态范围改善。LTC2512-24 具有相同的 22 位复合代码输出,可提供输入信号一种近乎理想的实时表示。对于 LTC2512-24,输出始终在 35 个输出采样中完全地稳定。

2LTC2512-24 中滤波器的特性

SEL1:SEL0

降频采样因子

(DF)

fSMPL = 1.6MHz

-3dB 带宽

fSMPL = 1.6MHz 时的输出数据速率 (ODR)

 

动态范围

00

4

133kHz

400ksps

108dB

01

8

66.7kHz

200ksps

111dB

10

16

33.3kHz

100ksps

114dB

11

32

16.7kHz

50ksps

117dB

 

图 2:LTC2512-24 数字滤波器之频率响应的幅度。fO = fSMPL/DF

 

2LTC2512-24 数字滤波器之频率响应的幅度。fO = fSMPL/DF

 

LTC2508-32 是一款面向地震学应用以及石油和天然气勘探的极佳候选方案,在此类应用中 ADC 必须分辨 “埋藏” 于噪声中的极低电平信号。LTC2512-24 的较宽带宽和平坦通带可能更适合于心电图 (EKG) 等医疗仪器,此类仪器既受益于滤波输出的高动态范围,同时又可利用无延迟输出以提供诸如探头位置等实时信息。对于任何采用了一个必须对输入信号中的变化 (其通过较慢的滤波输出将不会立即显示出来) 做出快速反应的控制环路的精准型应用而言,这些 ADC 是理想的选择。如需了解有关该产品系列的更多信息,可登录 www.linear.com.cn