多年以前,,精準(zhǔn)電子測量是在科研院所的實驗室環(huán)境中進行的,在這種環(huán)境中,,有很好的電源供給,,有充足的時間分配也能保證測量有極高的準(zhǔn)確性,。但現(xiàn)今,許多人希望將儀器儀表帶到現(xiàn)場,,讓儀器儀表靠自身的電池供電運行,,并能即刻實現(xiàn)高精確測量。模擬電路與數(shù)字電路不同,,不會從較小的幾何尺寸產(chǎn)生的比例效應(yīng)中受益,。如果功率消耗得較少,那么噪聲 (精確測量的大敵) 實際上增加了,。隨著新的低壓工藝出現(xiàn),,信噪比 (SNR) 變得更差了,這是可以理解的,,因為電子產(chǎn)品世界信號幅度減小了,。那么,在提高性能的同時,,模擬信號鏈路怎樣“走向綠色”呢?
很多高速儀表的核心是一個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC),。例如,金屬物體的非破壞性測試采用一種類似于醫(yī)療超聲的成像方法,,采用這種方法時,,數(shù)字圖像傳感器為高速 ADC 提供信號。在有些情況下,,會有很多通道,,因此尺寸和功耗是關(guān)鍵,。便攜式電子產(chǎn)品世界儀表顯然需要節(jié)省電池功率,不過即使是固定式安裝,,也會關(guān)注功率,,無論是為了實施“綠色”計劃,還是僅僅要在外形尺寸緊湊的儀表中最大限度地降低熱量,。ADC 的趨勢是走向采用幾何尺寸更小的工藝,,并使用 1.8V 電源以降低功耗,但要實現(xiàn)與類似的 3V 器件同樣或更高的性能,,就需要更聰明的 ADC 設(shè)計,。
凌力爾特開發(fā)出了幾款引腳兼容、采樣率高達 125Msps 的 1.8V 超低功耗 12 位 / 14 位和 16 位 ADC 系列,,這些器件以非常低的功率提供卓越的動態(tài)性能,。這些新器件無需減少功能或提高前端放大器的要求,就可以極大地降低功耗,。由于可以選擇單,、雙、4 和 8 通道 ADC,,因此客戶可以實現(xiàn)非常高的通道密度,,同時確保系統(tǒng)中的熱量最低。不過,,ADC 只是該鏈路的其中一部分,。整個信號鏈路必須良好匹配,以使儀表順利工作,。
匹配的信號通路設(shè)計
就需要 16 位性能和超低功耗以延長電池壽命的應(yīng)用而言,,LTC2195 系列是理想的解決方案。便攜式儀表是一個完美的例子,。在很多應(yīng)用中,,來自傳感器的信號必須在 ADC 采樣前進行調(diào)理。就這項任務(wù)而言,,選擇與 ADC 性能匹配的低噪聲,、低功率放大器是很重要,例如可以選擇 LTC6406,,該器件與 LTC2195 系列是良好匹配的,。
LTC6406 是一款全差分放大器,具低噪聲 (在輸入端為 1.6nV/√Hz) 和高線性度 (在 20MHz 時為 +44dBm OIP3),,采用小型 3mm x 3mm QFN 封裝,。增益是用外部電阻器設(shè)定的,從而為用戶提供了最大的設(shè)計靈活性,。低功耗 (用 3.3V 電源時為 59mW) 最大限度地降低了對系統(tǒng)功率預(yù)算的影響,。這個放大器的共模電壓范圍還延伸至 0.5V,,這意味著,它可以與 LTC2195 無縫配對,,因為 LTC2195 具 0.9V 的標(biāo)稱共模電壓,。
一般情況下,數(shù)字傳感器的輸出是單端的,。這就要求 ADC 采樣之前,,進行單端至差分轉(zhuǎn)換。如果 DC 響應(yīng)也需要,,那么就不能用變壓器,。這種情況就需要諸如 LTC6406 這種能進行單端至差分轉(zhuǎn)換的低噪聲放大器。
該放大器之后必須跟隨一個濾波器,,以降低放大器的寬帶噪聲,,并隔離放大器輸出與 ADC 輸入,ADC 輸入產(chǎn)生與采樣電容換向有關(guān)的共模干擾,。濾波器有助于衰減這類干擾,從而保護了放大器,。高階濾波器并不需要,,因為放大器的噪聲相當(dāng)?shù)汀^D(zhuǎn)角頻率為 12MHz 的濾波器用在這里就足夠了,,它不會降低 ADC 的性能,。
最終的濾波器應(yīng)該設(shè)計僅為降低放大器的寬帶噪聲,而不是作為具陡峭過渡頻帶的選擇性過濾器,。濾波器的陡峭過渡頻帶會增加插入損耗,,并減低放大器 OIP3,這會導(dǎo)致傳感器信號失真,。圖 1 所示電路達到了這個目標(biāo),。
圖 1 顯示了這個電路的性能。結(jié)果顯示,,在低輸入頻率時,,放大器的線性度不會降低 ADC 的 SFDR。SNR 也保持在 76.5dB 不變,。當(dāng)以單位增益使用時,,LTC6406 不降低 LTC2195 的 SNR 或 SFDR。
圖 1:FS = 125Msps 和 FIN = 1MHz 時,,圖 1 電路的 FFT 結(jié)果
AMPLITUDE:幅度
FREQUENCY:頻率
圖 1:單端至差分接口至高速 ADC
SINGLE ENDED INPUT:單端輸入
所采用的 ADC 是 LTC2195,,該器件是一款 16 位 125Msps、同時采樣,、雙通道 ADC,,用單一 1.8V 電源工作,。該器件以每通道 216mW 的功率實現(xiàn)了與消耗 1.25W 功率的 ADC 幾乎同樣的 SNR 性能。LVDS 串行接口允許該器件占用的電路板空間不到以前 ADC 的一半,,還由于減少了 I/O 數(shù),,還允許使用更小的 FPGA。這個電路與 LTC6406 一起,,僅消耗 275mW 功率,,這對多通道系統(tǒng)而言是一個顯然的優(yōu)勢。這個電路可以非常容易地應(yīng)用于該系列的 14 位和 12 位器件,,或應(yīng)用于以低得多的采樣率采樣的轉(zhuǎn)換器,,從而進一步節(jié)省了功率。
總結(jié)
無論是實驗室設(shè)備還是野外便攜式設(shè)備,,儀器儀表和測試設(shè)備向“節(jié)能綠色”的發(fā)展趨勢是不可避免的,。隨著產(chǎn)品性能的提高和功耗要求的降低,匹配整個信號鏈路的組件變得非常重要了,。就 16 位性能而言,,LTC2195 這款 ADC 最適合分辨率很高且關(guān)注功率的傳感器應(yīng)用,而 LTC6406 則是一個匹配很好的驅(qū)動器放大器,,該放大器不會使 LTC2195 的性能打折扣,,而且其功率要求也很低。通過用一個相對低階的濾波器來降低放大器的寬帶噪聲,,該 ADC 的數(shù)據(jù)表性能可以非常容易地實現(xiàn),。LTC2195 與 LTC6406 的配對組合適用于任何便攜式圖像傳感器應(yīng)用,同時提供了卓越的性能和低功耗,。