在16位、100kSPS数据采集系统中实现低功耗和高性能

电路功能与优势

大多数系统中，需要在性能与低功耗之间进行权衡。本电路设计的重点是考察部分权衡因素，同时在16位、100 kSPS数据采集系统中实现低功耗（8 mW，典型值）和高性能。

本电路使用 AD7988-1低功耗（350 μA） PulSAR®模数转换器（ADC），该器件直接从ADA4841-1 高性能、低电压、低功耗运算放大器驱动。选择该放大器是因为它具有极佳的动态性能，可采用单电源电压供电且提供轨到轨输出。此外，输入共模电压范围包括负供电轨。

AD7988-1 ADC需要2.4 V至5.1 V间的外部基准电压。本应用中，选择的基准电压是ADR4525 精密2.5 V基准电压源。

图1. 基本单端、低电压、低功耗、16位、100 kSPS ADC解决方案

电路描述

本电路的核心是 AD7988-1 16位、100 kSPS逐次逼近型ADC，采用VDD单电源供电。它内置一个低功耗、高速、16位采样ADC和一个多功能串行端口接口（SPI）。在CNV上升沿，该器件对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从0 V至REF。基准电压（REF）由外部提供，并且可以独立于电源电压（VDD）。

在为本电路笔记执行的实验中， AD7988-1 评估板与系统演示平台（SDP， EVAL-SDP-CB1Z）接口，ADC SPI兼容串行接口则连接到DSP SPORT接口。ADC SPI接口能够将几个ADC以菊花链形式连结到单三线式总线上。采用独立VIO电源引脚时，它与1.8 V、2.5 V、3 V或5 V逻辑兼容。

AD7988-1 采用10引脚MSOP或10引脚QFN （LFCSP）封装。为方便起见，该电路板采用MSOP封装。

ADC输入从 ADA4841-1单位增益稳定、低噪声和低失真、轨到轨输出放大器进行缓冲和驱动，该器件通常在1.1 mA的静态电流下工作。此放大器提供2.1 nV/√Hz的低宽带电压噪声和1.4 pA/√Hz的电流噪声，100 kHz时具有极佳的−105 dBc无杂散动态范围（SFDR）。为了在更低频率下保持低噪声环境，10 Hz时放大器具有7 nV/√Hz和13 pA/√Hz的低1/f噪声。

使 ADA4841-1非常适合单电源应用的主要特性是，它在该应用中可以采用单供电轨供电，同时将可负供电轨接地。放大器输出摆幅可以达到地电平的50 mV范围内，这是本应用可接受的值。请注意，输入共模电压范围从负供电轨扩展至正供电轨的1 V范围内。为容纳目标信号范围（0 V至2.5 V），必须提供1 V裕量；因此本电路中使用4 V供电轨。ADA4841-1 采用6引脚SOT-23或8引脚SOIC封装。

本应用中使用的2.5 V基准电压源是 ADR4525 ，属于 ADR45xx 基准电压源系列，可以提供高精度、低功耗、低噪声，且具有±0.01%初始精度、极佳的温度稳定性和低输出噪声。 ADR4525 的低热致输出电压迟滞和低长期输出电压漂移提高了系统性能。700 μA的最大工作电流和500 mV的低压差（最大值）使该器件最适合便携式设备。

用于本电路中的三个产品的额定工作温度范围均为−40°C至+125°C全工业温度范围。

性能预期

由于功耗在本应用中是关键，有必要分析每个元件的贡献，以确保在众多可用产品中选择适当的器件。第一步是查看三个选定器件的不同电源电流。

表1中显示了为每个贡献元件计算和测得的典型电源电流。ADC数字接口的VIO电源可以忽略不计，因此不包括在内。测得电流与计算值的比较非常有利；无源元件可能引起小差异，使电源电流略不同于典型数据手册规格。

表1. 计算和测得的电源电流贡献

使用低值基准电压时， AD7988-1 ADC的交流性能会有所下降。图2中显示了这一性能下降，其中信噪比、信纳比（SINAD）和有效位数（ENOB）均显示为基准电压的函数。请注意，对于2.5 V基准电压，预计SNR性能约为86 dB至87 dB。

图2. AD7988-1 ADC SNR、SINAD和ENOB与基准电压的关系

电路测量结果如图3所示。86.17 dB的SNR性能与2.5 V基准电压的预计效果相当，如上文图2所示。

图3. 在10 kHz输入音下测得的100 kSPS采样速率的交流性能，SNR = 86.17 dB

常见变化

PulSAR®系列的其它引脚兼容16位ADC提供更高的采样速率： AD7988-5 （500 kSPS）、AD7980 （1 MSPS）和 AD7983 （1.33 MSPS）。请注意，采样速率越高，功耗越高。或者，如果需要更高的分辨率，合适的引脚兼容器件有 AD7691 （18位，250 kSPS）、AD7690 （18-bit， 400 kSPS）， AD7982 （18位，1 MSPS差分输入）、 AD7984 （18位，1.33 MSPS）。

对于更高的输入电压范围，请为基准电压源和ADC驱动器选择更高的基准电压和更高的电压供电轨。

图4中显示了 AD7988-5 （16位，500 kSPS）ADC在相似条件下的动态性能；不过采样速率为500 kSPS。SNR等于86.37dB。

使用500 kSPS AD7988-5 ADC在10 kHz输入音下测得的500 kSPS采样速率的交流性能，SNR = 86.37 dB