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測量,、測試和儀器儀表的“節(jié)省能源” 的發(fā)展之路

 多年以前,,精準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生的比例效應中受益。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鍵,。便攜式電子產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,。
  匹配的信號通路設計
  就需要 16 位性能和超低功耗以延長電池壽命的應用而言,LTC2195 系列是理想的解決方案,。便攜式儀表是一個完美的例子,。在很多應用中,來自傳感器的信號必須在 ADC 采樣前進行調理,。就這項任務而言,,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定的,,從而為用戶提供了最大的設計靈活性,。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,,進行單端至差分轉換。如果 DC 響應也需要,,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 輸入產生與采樣電容換向有關的共模干擾,。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?shù)?。轉角頻率為 12MHz 的濾波器用在這里就足夠了,,它不會降低 ADC 的性能。
  最終的濾波器應該設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,,這會導致傳感器信號失真,。圖 1 所示電路達到了這個目標。

圖 1 顯示了這個電路的性能,。結果顯示,,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用于該系列的 14 位和 12 位器件,或應用于以低得多的采樣率采樣的轉換器,,從而進一步節(jié)省了功率,。
  總結
  無論是實驗室設備還是野外便攜式設備,儀器儀表和測試設備向“節(jié)能綠色”的發(fā)展趨勢是不可避免的,。隨著產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注功率的傳感器應用,,而 LTC6406 則是一個匹配很好的驅動器放大器,,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用,,同時提供了卓越的性能和低功耗,。

 

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