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結合PGA可提升SAR轉換器的動態範圍

發布時間：2019-08-23 責任編輯：xueqi

【導讀】對於需要高動態範圍的應用，通常使用∑-Δ轉換器。這些應用主要可以在化學分析、醫療保健和體重管理領域找到。但是，其中許多模塊無法快速轉換。圖1中的電路描述了一種將高動態範圍與高轉換率相結合的方法。

Q：16位SAR轉換器應用能否在600kSPS時達到125dB的動態範圍？

A ：能，89dB + 18dB + 20dB ≥ 125dB。

圖1：具有自動增益調節功能的SAR轉換器。

圖1中的電路顯示了帶有2.5MSPS和上遊可編程儀表放大器的16位SAR轉換器，它將增益設置為1或100。通過在FPGA中進行過采樣和數字信號處理，該電路可實現大於125dB的動態範圍，並且仍然非常安靜。高動態範圍是通過AD8253的自動切換和過采樣實現的，其中信號的采樣速率遠高於奈奎斯特頻率。

根據經驗，采樣頻率加倍可在原始信號帶寬下將信噪比(SNR)提高約3dB。在圖1所示的電路中，仍然在FPGA中應用數字濾波，以消除高於目標信號帶寬的噪聲。原理如圖2所示。

圖2：過采樣的增加消除了部分噪聲

為了獲得最大動態範圍，在輸入端使用儀表放大器將極低信號放大100倍。有關噪聲的一些注意事項如下：

對於>126dB的動態範圍要求，在3V (6V p-p)輸入信號時產生的最大噪聲級為1µV rms。AD7985是具有2.5MSPS的16位SAR轉換器。如果它以600kSPS（低功率損耗為11mW）和72過采樣係數運行，則產生大約8kSPS的采樣率，因此帶寬為4kHz。在這些條件下，將產生最大15.8nV/√Hz的噪聲密度(ND)。

該值對於選擇正確的儀表放大器很重要。ADC通常具有89dB的SNR，而係數為72的過采樣會額外增加18dB，因此仍需要大約20dB才能達到126dB的目標，這是儀表放大器的任務。AD8253的增益為100時，其值為11nV/√Hz。下方用作ADC驅動器和用於電平調節的AD8021又增加了2.1nV/√Hz的噪聲。

模擬信號鏈由基準電壓ADR439（或REF194）以及ADA4004-2完成，作為基準緩衝區和驅動器，用於產生偏移電壓。

除模擬路徑中的組件外，FPGA（或處理器）對電路性能也很重要。關鍵任務是將儀表放大器的增益從1切換為100。為此，對許多閾值進行了編程以確保ADC不飽和。因此，AD8253在輸入電壓高達20mV左右時以100為增益運行，這使得ADC輸入端的最大電壓達2.0V。然後，FPGA將AD8253的增益降至1且沒有延遲，以防止過載（見圖3）。

圖3：增益開關示例

電路的變化可通過AD7980（16位、1MSPS）、AD7982（18位、1MSPS）或AD7986（18位、2MSPS）等其他ADC操作。同樣，不使用增益為1、10、100和1000的AD8253，而改用具有較低範圍的AD8251等儀表放大器（增益為1、2、4和8），基準電壓的選擇也可能會改變。

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