低功耗ADC实现高性能明智设计

2012-11-25 22:32:56来源: 互联网
今天,人们希望将仪表携带到现场,让其靠电池电源运行,甚至立即实现更高的准确性。模拟电路与数字电路不同,它不会从较小几何尺寸产生的尺度效应中受益。如果功率消耗较少,那么噪声(精确测量的大敌)实际上将会增加。可以理解,随着新低压工艺的出现,信噪比(SNR)将变得更差,因为信号幅度在减小。那么,在提高性能的同时,模拟信号链怎样才能"走向绿色"呢?

  很多高速仪表的核心是一个高速模数转换器(ADC)。例如:金属物体的非破坏性测试就采用了一种类似于医疗超声的成像方法,采用这种方法时,数字图像传感器为高速ADC馈送信号。在某些情况下会有很多个通道,因此,尺寸和功耗成为关键。便携式仪表显然需要节省电池电力,不过,即使是固定安装设备,也需关注功率(无论是应对"绿色"倡议,还是仅仅要在外形紧凑的仪表中最大限度地降低热耗散)。ADC的发展趋势是迁移至更小的工艺尺寸,并使用1.8V电源以降低功耗,但要实现与类似3V器件同样或者更高的性能,就需要更明智的ADC设计。

  凌力尔特(Linear)公司开发出了几款引脚兼容,采样率高达125Msps的1.8V超低功耗12位/14位和16位ADC系列,这些器件以非常低的功率等级提供了卓越的动态性能。这些新型器件无需减少功能或者提高前端放大器要求,就可以极大地降低功耗。由于可以选用单、双、4和8通道ADC,因此客户可以实现较高的通道密度,同时还可确保系统中的热耗散最低。不过,ADC只是该链路中的一部分。整个信号链必须得到良好匹配,以使仪表顺利工作。

  匹配信号通路设计

  对于需要16位性能和超低功耗以延长电池寿命的应用而言,LTC2195系列是理想的解决方案。便携式仪表就是一个完美的例子。在很多应用中,来自传感器的信号必须在ADC采样前进行调节。就这项任务而言,选择与ADC性能匹配的低噪声、低功耗放大器非常重要,例如:可以选择LTC6406,它与LTC2195系列可以良好匹配。

  LTC6406是一款具有低噪声(在输入端为1.6nV/√Hz)和高线性度(在20MHz时为+44dBm OIP3)的全差分放大器,它采用小型的3mm×3mm QFN封装。由外部电阻设定增益,从而为用户提供了最大的设计灵活性。低功耗(3.3V供电时为59mW)最大限度地降低了对系统功耗预算的影响。这款放大器同样具有下延至0.5V的共模电压范围,这意味着它可以与LTC2195实现无缝配对(LTC2195具有0.9V的标称共模电压)。

  一般情况下,数字传感器输出为单端。这就需要在ADC采样之前,进行单端至差分转换。如果DC的响应也需要进行转换,那么就不能使用变压器。这种情况下就需要诸如LTC6406这种能够进行单端至差分转换的低噪声放大器。

  在该放大器之后必须放置一个滤波器,以降低放大器的宽带噪声,并将放大器输出与ADC输入隔离(ADC输入将产生与采样电容换向有关的共模干扰)。滤波器有助于衰减这类干扰,从而保护放大器。高阶滤波器则并不需要,因为放大器的噪声相当低。转折频率为12MHz的滤波器用在此处就已足够,它不会降低ADC的性能。

  最终的滤波器应被设计为仅降低放大器的宽带噪声,而不是作为具有陡峭过渡带的选择性滤波器。滤波器的陡峭过渡带会增加插入损耗,并降低放大器的OIP3,这会导致传感器信号失真。图1所示电路实现了这个目标。

  

单端至差分接口至高速ADC

 

  图1:单端至差分接口至高速ADC.

  图1采用的ADC是LTC2195.该器件是一款16位125Msps,同步采样、双通道ADC,它采用1.8V单电源工作。该器件以每通道216mW功耗,实现了与消耗1.25W功率的ADC几乎相同的SNR性能。LVDS串行接口允许该器件占用不到以前ADC一半的电路板空间,同时,由于减少了I/O数,还允许使用更小的FPGA.该电路与LTC6406结合,仅消耗275mW功率,这对于多通道系统而言是一个明显优势。同时,该电路可非常容易地应用于该系列14位和12位器件,或是以低得多的采样率采样的转换器,从而进一步节省功耗。

  图2显示了此电路的性能。结果显示,在低输入频率时,放大器的线性度不会降低ADC的SFDR,同时,SNR也保持在76.5dB不变。当以单位增益使用时,LTC6406不会降低LTC2195的SNR或SFDR.

  

 

  图2:当FS=125Msps和FIN=1MHz时,图1电路的FFT结果。幅度(dB),频率(MHz)

  本文小结

  无论对固定安装还是对便携设备而言,向"绿色"仪表和测试设备发展的趋势不可避免。随着性能水平提高和功耗要求下降,匹配整个信号链元器件正变得非常重要。就16位性能而言,LTC2195这款ADC是需要关注功率和高分辨率传感器应用的理想选择,而LTC6406则是一款良好匹配的驱动器放大器,该放大器不会使LTC2195性能打折扣,而且其功率要求也很低。通过使用一个相对低阶的滤波器来降低放大器的宽带噪声,该ADC的数据表性能可非常容易地实现。LTC2195与LTC6406的配对组合适用于任何便携式图像传感器应用,并提供了卓越的性能和低功耗。

关键字:低功耗  ADC  高性能

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1125/article_17752.html
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