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如何突破ADC高精度和高速度不可兼得的怪圈?

时间:2021-06-15 作者:邵乐峰 阅读:
为了满足工业系统对实时控制日益增长的需求,德州仪器(TI)日前扩充了其高速数据转换器产品系列,推出了全新的逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)ADC3660系列,用以在工业设计中实现高精度数据采集。
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TI高速数据转换器产品线经理Matthew Hann在接受媒体采访时表示,目前工程师在设计时所遇到的挑战包含准确度、噪声、功耗、尺寸和设计时间。这意味着,系统需要能够准确监控电压和电流的快速变化并对其做出响应,也需要更高的动态范围来检测低电平信号,从而提高信号采集的精度。

“直到现在,设计工业系统的工程师还不得不在出色的噪声性能和低功耗之间做出选择。对于设计需要精确数据采集的电池供电器件的工程师来说,这是一个特别困难的决定。”Matthew Hann说,全新ADC系列可以实现的一个关键特性是通过数字控制环路进行实时控制。在监控过电压和过电流的闭环系统中,实时控制允许系统在故障条件发生时通过关闭系统来快速响应。这不仅可以保护系统,还可防止对昂贵部件的损坏。与此特别相关的一些应用是热像仪、电网基础设施、电能质量分析仪、等离子切割器和源测量单元。

ADC3660系列包括八款分辨率为14、16和18位、采样速度为10-125MSPS的SAR ADC。数据显示,该系列产品在类似速度下的延迟比同类器件低80%,例如,系统设计人员使用125MSPS、14位、双通道ADC3664时,可实现一个时钟(8ns)的ADC延迟。

在超低功耗下实现出色的噪声性能是该系列的另一大亮点。在以往的认知中,改善噪声性能通常伴随着功耗的增加,但在3660系列中,这两者之间实现了良好的平衡。例如,ADC3683(18位、65MSPS ADC)可提供84.2dB的信噪比(SNR)和-160dBFS/Hz的噪声频谱密度,同时保持每通道94mW的低功耗,适用于提高便携式国防无线电等窄带频率应用的噪声性能;10MSPS、14位ADC3541的总功耗为36mW,可简化热管理并延长GPS接收器或手持电子设备等功率敏感型应用的电池寿命;65MSPS、16位ADC3660可提供 82dBFS SNR,从而提高声纳应用中的图像分辨率,而且功耗比同类器件低65%(每通道71mW)。

同时,为了降低设计复杂性,ADC3660系列还采用了高采样速度和高集成度的设计思路。例如,ADC3683在两倍的通道密度下,采样率比同类18位器件快四倍,并支持一种将所需信号的谐波推往更高频率的过采样技术,使得设计人员能够降低抗混叠滤波器的复杂性,并减少75%的系统元件数量。 

可降低设计复杂性的其他系列特性还包括片上抽取选项,设计人员可通过该选项轻松去除系统中不需要的噪声和谐波,并将SNR和无杂散动态范围提高至15dB。这些抽取选项以及互补金属氧化物半导体(CMOS)接口支持设计人员搭配使用这些ADC与基于Arm的处理器或数字信号处理器,而不必使用FPGA,这有助于降低系统成本。

ADC3660的工作温度介于-40°C至105°C之间。此外,在高噪声环境中(例如使用开关电源),设计人员可以选择SLVDS接口,该接口的鲁棒性更佳,不受噪声尖峰的影响,而且ADC本身的输入为全差分输入,更容易抑制和过滤所需输入信号中的外部噪声。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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