24 位 2Msps SAR ADC 让动态范围达到全新高度

高分辨率模拟数字转换器 (ADC) 是罕见的商品。它们针对要求较高动态范围和良好测量精度的特定市场，能够帮助在具有挑战性的噪声环境中为现实世界的信号提供精确的表述。直到最近为止，针对这个市场的产品还主要是三角积分 ADC。这种专业设备必须过采样，导致数据输出速率非常缓慢。这篇文章将介绍一种新型逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，它结合高分辨率、高采样率以及出众的 24 位动态范围，超越了同类产品的动态范围和测量精度。以下应用为如何很好地利用这一高动态范围提供了范例。

高分辨率模拟数字转换器 (ADC) 是罕见的商品。它们针对要求较高动态范围和良好测量精度的特定市场，能够帮助在具有挑战性的噪声环境中为现实世界的信号提供精确的表述。直到最近为止，针对这个市场的产品还主要是三角积分 ADC。这种专业设备必须过采样，导致数据输出速率非常缓慢。这篇文章将介绍一种新型逐次逼近寄存器 (SAR) ADC，它结合高分辨率、高采样率以及出众的 24 位动态范围，超越了同类产品的动态范围和测量精度。以下应用为如何很好地利用这一高动态范围提供了范例。

医疗应用，如脑照相，可能要求在高噪声的环境中收集信号。细胞受到刺激时出现的电活动，即动作电位，可能以 100Hz 到 2000Hz 的频率达到 10 微伏到 100 毫伏。如果信号被噪声埋没，您需要平均样本来解决信号的问题，这就需要一个具有高动态范围的 ADC。

地震和地震勘探应用的要求高且统一。地震和地震勘探信号的动态范围可达 140dB，频率最高为 100Hz。由于信号在传播过程中被地下各层吸收而衰减，传感器接收到的地震信号的信噪比非常低。这让测量这些信号变得非常困难。

气体传感器必须能检测到低浓度的气体，并在 0.5ppm 的低浓度下发出警报。对于此类应用来说，高精度和宽广的动态范围是至关重要的，这样才能确保迅速检测到有害化学品，而且不会在非必要的情况下激活警报。

大范围的趋势也让数据转换的标准越来越高。设备便携化的趋势让电池驱动的设备开始承担更为复杂的数据转换任务。设计者必须研发出空间使用更小且功耗更低的解决方案。

对于数据转换任务而言，每种常见 ADC 架构都有一系列的优缺点。

数据转换架构

模拟数字转换器的设计多数都进行了一些妥协。对于转换器而言，设计主要取决于其首要目标——是要高分辨率、高速率还是低功耗。注意：三者不一定可以兼得！

为全面覆盖各类应用要求，近年来出现了多个 ADC 架构，但现今在使用的主要有三种。

传统而言，逐次逼近寄存器 (SAR) 对于主流的低频率信号模拟数字转换器应来说是最为主流和可靠的架构。它提供了从高分辨率、低速率的三角积分结构到高速率、较低性能的管线架构之间的过渡。它们的成本相比管线 ADC 通常更低，功耗也比较适中。SAR 转换器在连续转换之间没有延迟，是进行复用或非周期性信号采样的理想选择。

管线转换器使用多阶段顺序管线架构以提高采样速率。它们能以极高的采样速率获取宽广的信号带宽或更高输入频率的信号，并在单个样本上相比高速 SAR ADC 功耗更低，因此统治了市场。它们不适合处理复用或非周期性输入，因为它们每次发生信号源改变都必须“冲洗管线”，这显著提高了延迟。对于较高分辨率的应用来说，SAR ADC 的主要竞争对手是三角积分转换器。这种转换器依赖于一个三角积分调制器和一个数字抽取滤波器。这种架构相比 SAR 较慢，并且准确度也不如。更重要的是，三角积分 ADC 的噪声频谱包括振动噪声，而 SAR ADC 噪底有一个统一的功率 谱密度。这让 SAR ADC 更适合在极低的级别检测音调或振动。

介绍 LTC2380-24

尽管有各种缺点，相对较慢的三角积分架构对于高分辨率应用来说却一直是唯一的选择，因为 SAR 转换器过去不支持 18 位以上的分辨率。最近，Linear Technology 推出了LTC2380-24，一款结合了高分辨率（24 位）和高采样率（最高 2Msps）的 SAR 转换器。它是 Linear Technology 的 LTC2380 系列中的旗舰产品，包括 20 位 1Msps 的 LTC2378-20、18 位 1.6Msps 的 LTC2379-18 和 16 位 2Msps 的 LTC2380-16 等型号。所有这些部件都以 MSOP-16 和 4 毫米×3 毫米 DFN 封装并为引脚兼容。

24 位的精度、高达 2Msps 的采样率和无可比拟的 ±0.5ppm (typ) 线性度让 LTC2380-24 能够在诸如 ECG/EEG 的高动态范围应用中解决极低水平的输入信号。

LTC2380-24 含有其它有助于简化常见设计问题的功能，比如一个内置的数字滤波器和单个电源操作数字增益压缩。

LTC2380-24 产品页面上有详细的技术参数。本文将讨论该零件的一些特色功能及其能给目标应用带来哪些好处，并简要介绍几个应用的细节。

平均化数字滤波

很多应用，比如地震勘探，要求在存在宽带噪声的情况下对较弱低频信号进行精确测量。以比奈奎斯特高得多的速率对信号进行过采样，然后平均化多次转换的结果，就能降低这种不相关的噪声的效果。通过在更宽的带宽扩展噪声，过采样增加了 ADC 的有效动态范围，从而减少在感兴趣的带宽中的噪声频谱密度。这也降低了前端抗混叠滤波器的复杂性，让功耗更低、噪声和失真更少。

LTC2380-24 具有一个集成的数字平均滤波器，可以提供这种功能而无需任何额外的硬件，从而简化了设计，并提供了许多独特的优势。LTC2380-24 的高采样率让它成为了多种应用的选择。对于用户而言，其好处在于解放了宝贵的处理器资源以够执行其它任务，而平均化的数据能以低得多的数据速率传输（低至 2Msps）。

LTC2380-24 中使用的数字平均滤波器称为 SINC1 滤波器。它可以对最少 N=1 个，最多 N=65536 个转化块进行平均。其效果显著，将动态范围从 1.5 Msps 时的 101 dB 提升至真正的 24 位性能——30.5sps 时的 145dB， 如图 1 所示。有了 40.9nVrms/ √Hz 的噪声谱密度，LTC2380-24 在 1Hz 带宽中的动态范围超过了 158dB！

图1：数字平均滤波器对动态范围的改进

基于采样率与想要的抑制频率，特定的输入频率可能通过选择 N 被抑制。这对于抑制 50Hz 或 60Hz 的线路频率特别有用，而这对于很多敏感数据采集应用来说是个难题。

例如，选择N= 20000 和 1Msps 的采样速率将抑制 50Hz 频率。更多详情见 LTC2380-24 规格表。

数字增益压缩

图 2：数字增益压缩

LTC2380-24 -24 包含数字增益压缩 (DGC)。此功能将满量程输入摆幅设定为 +/- VREF 模拟输入范围的 10% 和 90% 之间。REF / DGC 引脚为低电平以启用该功能。DGC 允许 LTC2380-24 前面的信号调理电路使用单个 + 5V 电源供电，因为每个 ADC 输入在 0.5V 和 4.5V 之间摇摆，如图 2 所示。这消除了在 ADC驱动器上有一个负电压轨的要求，从而降低了系统成本，并让整个系统额外降低了功耗。电池驱动和便携式设备将尤其得益于这一功能。

电源管理

LTC2380-24 在换完成后进入节电模式，但转换数据仍然可以同步输出。在节电模式下，总功耗仅为 2.5 微瓦 (typ)，让其非常适合只需定期输入采样的低功率应用。LTC2380-24 以 2MSPS 采样时仅从单一 2.5V 电源消耗 28 毫瓦的功率。

应用详细信息：输入驱动器优化

在 LTC2380-24 的高分辨率和采样率下，必须关注 ADC 模拟输入的驱动器电路，以免让总体性能受限。当 VREF=5V 的 LSB 的尺寸仅为 0.6μV 时，要避免驱动器成为限制因素可不容易！

图3：LTC2380-24 输入滤波

建议添加一个缓冲放大器以提供低输出阻抗，从而在在采样和保持阶段快速建立模拟信号。当然也必须考虑缓冲放大器和信号源的失真和噪声，因为它们会增加 ADC 的噪声和失真。

为了最大限度地减少噪声，输入信号应使用适当的过滤器在缓冲放大器的输入之前进行过滤。图 3 中显示的简单的 RC 低通滤波器 (LPF1) 对于多数应用来首已经足够。

在驱动器的输出和 ADC 输入之间需要一个附加的低通滤波器 LPF2。这很重要，因为当采样电容在采样及保留流程的开始切换进来时，LTC2380-24 的采样流程会制造一个电荷瞬态。当电荷从放大器流向采样电容器时，这会暂时性地让放大器“短路”。在采样周期结束之前，驱动器必须能够从该负载瞬态恢复。否则 ADC 输入引脚的信号将不会是一个有效的反映。LPF2 解耦 ADC 的采样瞬态。电容提供了主要的电荷，电阻则抑制和削弱任何由 LTC2380-24 注入的电荷。

LPF2 提供差分和共模低通滤波。差分截止频率为 1/2πR(2CD + CC)，共模的截止频率则为 1/2πRCC。

CC 电容器必须尽可能的匹配。由于电阻和电容可以增加失真，设计中应选用高品质的元器件，如金属膜电阻器和零漂移陶瓷 (NPO) 或银云母电容器。

驱动运算放大器的选择

LTC2380-24 通常使用两种不同的运算放大器，以获取最佳 AC 性能。

要缓冲全差分源，或将单端输入转换为差分形式，建议使用 LT6203。LT6203 是一个单位增益稳定的双低功耗运算放大器，具有轨对轨输入和输出。它具有 100MHz GBW 产品，1.9nV/√Hz 的超低噪声电压，以及在 1MHz 时小于 -80dBc 的谐波失真。LT6203 每通道仅使用 2.5 毫安的电源电流，适合低功率应用。

对于使用 5 伏电源的单电源操作，建议使用 LTC6362 SAR ADC 驱动器。它还具有轨对轨输入和输出，但为全差分，且噪声密度为 3.9nV/√Hz，具有 180 MHz 的 GBW 产品，1kHz 时失真为 -116dB。

图 4 显示 LTC6362 在单电源应用中与 LTC6665 一起使用，一个峰到峰噪声仅为 0.25ppm、精度最高可达 0.025% 的低漂移精密电压参考。请注意，LTC6362 引脚 2 上的电压设定了共模电压电平。如果悬空，一个内部电阻分压器将发出 5 伏 电源的 2.5 伏默认电压。

图4：采用 LTC6362 的单电源应用电路

一个地震勘探石油钻机可能使用 1000 个或更多的传感元件，称为地震检波器。每个都能在高达 100KHz 的嘈杂环境中生成低阶信号。LTC2380-24 的高采样率允许过采样和使用数字平均滤波器，以获得最大的动态范围。

与之类似，核磁共振、气相色谱法以及数字 X 光机等医疗应用中包含了低阶信号的精密测量，对数据采集前端的动态范围提出了严格的要求，因此让 LTC2380-24 成为了理想之选。

设计支持

DC2289 演示板让 LTC2380-24 -24 的评估变得简单，如图 5 所示。

DC2289 演示了正确的布局和推荐的设备选择，以获取最高性能的设计。 该演示板包含 LT6203，作为一个完全差分信号源和内置的低通滤波器的输入缓冲放大器。

为演示 DC 性能参数，如峰到峰噪声和直流线性，DC2289 可连接至 DC590B USB 串行控制器或 DC2026C Linduino One 隔离式 Arduino 兼容型演示板。此外，DC890B PScope™ 数据收集板可用于演示 AC 性能指标，如 SNR、THD、SINAD 和 SFDR。

图 5：DC2289A 演示板

LTC 提供一系列免费的数据采集和分析工具，包括 DC590 的 QuikEval 系统以及 DC890 的 PScope 软件。DC2026 的整个代码库，LTSketchbook.zip，可在 Linear Technology 网站下载。该软件包中含有包括 LTC2380-24 在内的所有涵盖设备的演示代码和代码库。

结论

LTC2380-24 是一款具有开创性的高精度模拟数字转换器，提供高分辨率和高速率的独特组合。

它具有一系列的功能，帮助设计者在各类精密模拟领域（如数据采集、地震勘探、医疗、工业过程控制和 AT）中解决问题和执行任务。

搭配 Linear Technology 的开发工具综合套件，LTC2380-24 将帮助设计者快速启动下一个精密数据采集项目。