适用于高精度数据采集系统的模数转换器了解一下

亚德诺半导体 2022-11-30 18:14

市场对工业应用的需求与日俱增,数据采集系统是其中的关键设备。它们通常用于检测温度、流量、液位、压力和其他物理量,随后将这些物理量对应的模拟信号转换为高分辨率的数字信息,再由软件做进一步处理。此类系统对精度和速度的要求越来越高,这些数据采集系统由放大器电路和模数转换器(ADC)组成,其性能对系统具有决定性的影响。


然而,ADC的输入驱动器也会影响整体精度,该驱动器用于缓冲和放大输入信号。此外,还必须增加偏置信号或生成全差分信号,以覆盖ADC的输入电压范围并满足其共模电压要求,在此过程中不得改变原始信号。可编程增益仪表放大器(PGIA)通常用作输入驱动器。在本文中,我们提出了一种输入驱动器和ADC的组合,通过这种组合可以实现非常精确的转换结果,从而构建高质量的数据采集系统。


例如,LTC6373就是一款适用于高精度数据采集系统的PGIA,除了全差分输出,它还具有高直流精度、低噪声、低失真(见图2)以及4 MHz的高带宽,增益为1/4~16。ADC可以通过它直接驱动,因此适合许多信号调理应用。


图1中的电路显示了使用LTC6373来驱动精密ADC的示例,ADC是具有1.8 MSPS的20位分辨率的AD4020。

图1. 驱动精密ADC的电路示例。
在该电路中,LTC6373在输入端和输出端直流耦合,因而不需要使用变压器来驱动ADC。增益可通过引脚A2/A1/A0在0.25 V/V至16 V/V 之间进行设置。在图1中,LTC6373采用差分输入至差分输出配置和±15 V对称电源电压。或者,输入也可以是单端输入,而输出仍然是差分输出。

在图1中,输出共模电压通过VOCM引脚设置为VREF/2。这样就可实现LTC6373的输出电平转换。LTC6373的每个输出在0 V至VREF之间变化,因此在ADC输入端有一个2× VREF幅度的差分信号。LTC6373的输出端和ADC输入端之间的RC网络形成一个单极点低通滤波器,它可降低在ADC输入端切换电容时产生的电流毛刺。同时,低通滤波器限制了宽带噪声。

图2. 使用LTC6373驱动AD4020的SNR(左)和THD(右)性能。
图2显示LTC6373的信噪比(SNR)和总谐波失真(THD),其在整个输入电压范围(10V p-p)内驱动AD4020 SAR ADC(高阻态模式)。在吞吐量为1.8 MSPS,滤波器电阻(RFILTER)为442 Ω时可获得比较满意的效果。在1 MSPS或0.6 MSPS时,制造商建议RFILTER为887 Ω。 

LTC6373可驱动大多数具有差分输入的SAR ADC,不需要另外增加 ADC驱动器。但是,在某些应用中,在LTC6373和精密ADC之间可以使用单独的ADC驱动器来进一步提高信号链的线性度。



结论


图1中所示的电路针对快速、高精度数据采集系统进行了优化。因此,LTC6373的出色特性有助于对传感器输出信号进行信号调理。借助在线工具ADI Precision Studio,特别是其中包含的ADC驱动器工具,ADI公司可以为此类放大级、滤波器和线性电路设计提供更多支持。

LTC6373

  • 可编程增益引脚: 
    G = 0.25,0.5,1,2,4,8,16V/V+关断

  • 全差分输出

  • 增益误差:0.012%(最大值)

  • 增益误差漂移:1ppm/°C(最大值)

  • CMRR:103dB(最小值),(G=16)

  • 输入偏置电流:25pA(最大值)

  • 输入失调电压:92μV(最大值),G=16

  • 输入失调电压漂移:1.7μV/°C(最大值),G=16

  • –3dB 带宽:4MHz,G=16

  • 输入噪声密度:8nV/√Hz,G=16

  • 压摆率:12V/μs,G=16

  • 可调共模输出电压

  • 静态电源电流:4.4mA

  • 电源电压范围:±4.5V~±18V

  • 额定温度范围为 –40°C~125°C

  • 小型12引脚 4mm×4mm DFN (LFCSP) 封装

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亚德诺半导体 Analog Devices, Inc.(简称ADI)始终致力于设计与制造先进的半导体产品和优秀解决方案,凭借杰出的传感、测量和连接技术,搭建连接真实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识周围的世界。
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