【導(dǎo)讀】在持之以恒的實(shí)現(xiàn)高通道密度的努力中，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在尋找使用較少電路板面積，但仍能達(dá)到嚴(yán)格性能標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集解決方案。ADI直面這些挑戰(zhàn)，推出首個(gè)μModule®數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系列——ADAQ7980和ADAQ7988。ADAQ798x系列將常見信號處理和調(diào)理模塊集成到系統(tǒng)化封裝(SiP)設(shè)計(jì)中，支持高通道密度，可簡化設(shè)計(jì)過程，并提供出色的性能。
如何使用集靈活性和高集成度于一身的全能ADC—— μModule數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADAQ798x系列呢？ADI工程師為此撰寫了6篇博客，目的是幫助系統(tǒng)您充分利用ADAQ798x系列的靈活前端，并說明它可以如何配置以適應(yīng)不同應(yīng)用。
今天，我們先來看看該系列博客的前兩篇：
為何要配置ADC驅(qū)動(dòng)器？
ADC驅(qū)動(dòng)器用于調(diào)理輸入信號，并充當(dāng)信號源與SAR ADC開關(guān)電容輸入之間的低阻抗緩沖器。ADAQ798x的ADC驅(qū)動(dòng)器采用“兩全其美”的辦法，不僅具備信號鏈集成優(yōu)勢，而且提供設(shè)計(jì)靈活性，支持很多不同的應(yīng)用。
ADAQ798x中集成ADC驅(qū)動(dòng)器可減少電路板面積，免除（有時(shí)令人畏懼的）選擇合適放大器的任務(wù)。但是，ADC驅(qū)動(dòng)器配置仍很靈活，因?yàn)槠漭斎牒洼敵鲋苯勇酚傻狡骷系囊_，允許增加外部無源元件實(shí)現(xiàn)增益、濾波等。使得ADAQ798x能夠支持多精密應(yīng)用中的信號幅度和帶寬。
我們將在后續(xù)的內(nèi)容中討論ADAQ798x的幾種常見ADC驅(qū)動(dòng)器配置方案。但在具體了解這些配置的詳情之前，讓我們明確許多應(yīng)用關(guān)于ADC驅(qū)動(dòng)器的一些常見設(shè)計(jì)考慮。
輸入電壓范圍
ADAQ798x集成ADC將0 V至VREF的單極性單端信號轉(zhuǎn)換成16位結(jié)果。VREF為基準(zhǔn)電壓，其是在外部產(chǎn)生，可在2.4 V至5.1 V范圍內(nèi)設(shè)置。必須配置ADC驅(qū)動(dòng)器以轉(zhuǎn)換輸入源的輸出范圍，使其適合集成ADC的輸入范圍。
ADAQ7980/ADAQ7988數(shù)據(jù)手冊給出了ADC驅(qū)動(dòng)器在單位增益配置下的性能，其中IN+引腳的電壓輸入為0 V至VREF。這種配置是最簡單的設(shè)計(jì)（僅需要將IN-與AMP_OUT引腳短接起來！），可實(shí)現(xiàn)最佳噪聲性能和功耗，但并非總是可行，因?yàn)楹芏?a target="_blank" style="text-decoration:none;" >傳感器和信號源不符合ADC的輸入范圍。
例如，工業(yè)應(yīng)用常常涉及幅度高達(dá)20 VPP的雙極性信號！幸運(yùn)的是，只要增加幾個(gè)無源元件，便可實(shí)現(xiàn)增益、衰減、單極性到雙極性轉(zhuǎn)換和有源濾波，使信號鏈可能無需使用其他放大器。
注意事項(xiàng)
在未來的文章中，隨著對配置方案的深入探索，我們需要牢記一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。例子包括：
- 功耗
- 系統(tǒng)噪聲
- 大信號和小信號帶寬
- 建立特性
- 失真
- 失調(diào)誤差
- 增益誤差
每種應(yīng)用對每個(gè)參數(shù)有不同的要求，但所有參數(shù)皆受ADC驅(qū)動(dòng)器配置和所用元件影響。例如，使用大值電阻通常會(huì)降低功耗并提高輸入阻抗，但會(huì)增加系統(tǒng)噪聲、失真、失調(diào)和增益誤差。我們將在未來的文章中考察與具體配置相關(guān)的各個(gè)參數(shù)。
如何與小于ADC輸入范圍的單極性輸入源接口？
正如上述所說，ADAQ798x集成ADC驅(qū)動(dòng)器的多種常見且有用的配置方案，如何進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及需要注意什么。接下來我們討論下如何使用常見的同相配置來讓ADAQ798x與小于ADC輸入范圍（0 V至VREF）的單極性輸入源接口。
同相配置
ADC轉(zhuǎn)換0 V和VREF之間的輸入，意味著ADC驅(qū)動(dòng)器的輸出范圍也必須是0 V到VREF，系統(tǒng)才能利用ADAQ798x提供的全部216個(gè)碼。ADAQ798x集成ADC驅(qū)動(dòng)器可提供增益來使幅度較小的信號得到必要的擴(kuò)大。
這就要用到同相配置。此配置為單極性信號提供增益，提供高輸入阻抗，只需增加兩個(gè)電阻。
很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師已經(jīng)知道同相配置的工作原理，但我們將結(jié)合ADAQ798x予以討論，并了解該配置如何影響系統(tǒng)的關(guān)鍵性能參數(shù)，包括系統(tǒng)噪聲、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)。
第一、給定應(yīng)用的輸入范圍和基準(zhǔn)電壓
如何選擇電阻Rf和Rg？ADC驅(qū)動(dòng)器輸出端的電壓(vAMP_OUT)為：
vAMP_OUT在0 V和VREF之間，Rf和Rg之比很容易根據(jù)應(yīng)用的輸入范圍(vIN+)進(jìn)行計(jì)算：
算出Rf和Rg之比后，必須選擇其具體值。這些電阻的“恰當(dāng)”值取決于應(yīng)用，并且必須考慮系統(tǒng)噪聲性能與功耗、失真、放大器穩(wěn)定性的平衡。Rf值越低，則噪聲越低，但從ADC驅(qū)動(dòng)器輸出端吸取的電流會(huì)增大（功耗提高）。使用較大Rf值可限制此功耗，但會(huì)增加系統(tǒng)噪聲并可能造成不穩(wěn)定問題。
第二、電阻產(chǎn)生的噪聲量與其阻值成正比
較大電阻會(huì)貢獻(xiàn)較多噪聲，并且可能影響系統(tǒng)的本底噪聲和交流性能規(guī)格（比如SNR）。系統(tǒng)總噪聲為電路中各噪聲源的和方根，包括電阻、ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC本身的噪聲：
其中，vn,system為系統(tǒng)有效值本底噪聲，vn,ADC driver為ADC驅(qū)動(dòng)器電路的總噪聲（包括外部電阻），vn,ADC為ADC本底噪聲規(guī)格。
ADAQ7980/ADAQ7988數(shù)據(jù)手冊中闡述了如何計(jì)算vn,ADC driver（參見噪聲考慮和信號建立部分）；對于5 V基準(zhǔn)電壓，算出vn,ADC為44.4 μVRMS。參考電路《庫隔離、2通道、16位、500 kSPS同步采樣 信號鏈，集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)》中還說明了如何根據(jù)系統(tǒng)總噪聲計(jì)算系統(tǒng)的預(yù)期SNR（參見系統(tǒng)噪聲分析部分）。為了簡潔起見，我們不會(huì)在這里重復(fù)那些計(jì)算，但會(huì)再舉一個(gè)例子。
舉個(gè)栗子
我們來考慮這樣一種情況：ADAQ7980需要與一個(gè)輸出范圍為0 V至2.5 V的傳感器直接接口，采用5 V基準(zhǔn)電壓。由于傳感器的輸出幅度等于ADC輸入范圍的一半，所以ADC驅(qū)動(dòng)器的增益應(yīng)設(shè)置為2。這要求Rf等于Rg，但Rf的選擇有一定的靈活性。
首先來看看不同的Rf（和Rg）值對系統(tǒng)本底噪聲和相應(yīng)的預(yù)期SNR有何影響：
可以看到，使用較高的Rf和Rg值時(shí)，系統(tǒng)噪聲會(huì)提高，SNR會(huì)下降。提高增益也會(huì)降低SNR性能，因?yàn)樗鼤?huì)提高ADC驅(qū)動(dòng)器輸入電壓噪聲和Rg貢獻(xiàn)的有效噪聲。下面的曲線顯示了不同增益下實(shí)測的SNR和THD（總諧波失真）結(jié)果，Rf = 1 kΩ（輸入頻率 = 10 kHz）。
不過，選擇較小電阻的缺點(diǎn)之一是ADC驅(qū)動(dòng)器需要通過反饋網(wǎng)絡(luò)輸送更多電流（因而功耗增加）。通過Rf和Rg的瞬時(shí)電流等于vAMP_OUT除以Rf與Rg之和。此電流會(huì)加到系統(tǒng)總功耗上，在低功耗應(yīng)用中應(yīng)予以限制。
結(jié)語
這種配置的一個(gè)優(yōu)勢是其輸入阻抗非常大，因?yàn)樾盘栐粗苯舆B到ADC驅(qū)動(dòng)器的同相節(jié)點(diǎn)。這對輸出阻抗非常大的信號源特別有用。我們會(huì)看到，對于其他配置，情況并非總是如此。
雖然同相配置可提供增益，但也有一些實(shí)際限制。首先，正如《模擬對話》文章《精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì)》所述，ADC驅(qū)動(dòng)器必須維持一定的大（和小）信號帶寬以滿足ADC的正向（和反向）建立要求。帶寬與閉環(huán)增益成反比。系統(tǒng)噪聲也會(huì)隨著增益提高而提高，在某一點(diǎn)時(shí)，性能會(huì)降低太多，只有進(jìn)行相當(dāng)程度的濾波才可行（我們將在后續(xù)連載中討論）。
另外，對于要求極低失調(diào)和增益誤差與漂移的應(yīng)用，務(wù)必使用具有適當(dāng)容差和TCR規(guī)格的精密電阻。如可能，應(yīng)使用指定了各電阻間阻值和TCR的跟蹤精度的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)（例如LT5400系列）。參考電路《庫隔離、2通道、16位、500 kSPS同步采樣 信號鏈，集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)》 詳細(xì)探討了這一概念。還應(yīng)注意，ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入偏置電流會(huì)流經(jīng)Rf和Rg，這會(huì)引起系統(tǒng)的電壓失調(diào)。可在ADC驅(qū)動(dòng)器的同相節(jié)點(diǎn)與輸入源之間放置一個(gè)電阻以抵消此類失調(diào)，但應(yīng)注意，此電阻也會(huì)增加系統(tǒng)噪聲！
下期我們將討論全能DAQ ADAQ798x的同相求和配置以及支持衰減的同相求和配置，敬請期待！
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
推薦閱讀：
