怎样采用多种单端信号驱动低功率、1Msps、±2.5V 差分输入、16 位 ADC
2013-07-24
作者：Guy Hoover
匹配传感器输出和ADC 输入范围可能很难，尤其是要面对当今传感器所产生的多种输出电压摆幅时。本文为不同变化范围的差分、单端、单极性和双极性信号提供简便但高性能的ADC 输入驱动器解决方案，本文的所有电路採用了LTC2383-16 ADC 单独工作或与LT6350 ADC 驱动器一起工作来实现92dB SNR。
LTC2383-16 是一款低噪声、低功率、1Msps、16 位ADC，具备±2.5V 的全差分输入范围。LT6350 是一款轨至轨输入和输出的、低噪声、低功率单端至差分转换器/ADC 驱动器，具备快速稳定时间。运用LT6350，0V 至2.5V、0V 至5V 和±10V 的单端输入范围可以很容易转换为LTC2383-16 的±2.5V 全差分输入范围。
全差分驱动
图1 显示了用于本文所述所有电路的基本构件。该基本构件用于至LTC2383-16 模拟输入的DC 耦合全差分信号。电阻器R1、R2 和电容器C1 将输入带宽限制到大约500kHz。电阻器R3 和R4 减轻ADC 输入采样尖峰的影响，该尖峰可能干扰传感器或ADC 驱动器输入。
图1：全差分驱动电路
这个电路对于具备低阻抗差分输出的传感器很有用。驱动AIN+ 和AIN– 的共模电压必须等于VREF/2，以满足LTC2383-16 的共模输入范围要求。
图1 中的电路可以是AC 耦合的，以在必要时，使ADC 输入的共模电压与传感器相匹配。只需通过一个1k 电阻器将AIN+ 和AIN– 偏置到VCM(VCM=VREF/2)、通过一个10µF 电容器将传感器输出耦合到AIN+ 和AIN– 即可，如图2 所示。
图2：AC耦合全差分驱动电路
当驱动LTC2383-16 这类低噪声、低失真ADC 时，选择合适的组件对保持高性能是至关重要的。这些电路中使用的所有电阻器的值都相对较低。这可保持较低的噪声和较短的稳定时间。建议使用金属薄膜电阻器，以减小由自热引起的失真。C1 采用的是NPO 电容器，因为这类电容器的电压系数较低，从而可最大限度地减小失真。
单端至差分的转换
当然，不是所有传感器的输出都是差分的。以下是一些用单端信号驱动LTC2383-16 的方法。
0V至2.5V单端输入
图3 所示电路将0V 至2.5V 单端信号转换为全差分±2.5V 信号。这个电路还具备高阻抗输入，以便能用大多数传感器输出直接驱动该电路。如图2 所示，通过AC 耦合的VIN，VIN端的共模电压可以与ADC 匹配。第二个放大器的共模电压在LT6350 的+IN2 引脚处设定。图4 中的32k 点FFT 显示运用图3 所示电路时LTC2383-16 与LT6350 合起来的性能。所测得的92dB SNR 和-107dB THD 与LTC2383-16 的典型数据表规格参数紧密匹配。这表明，在信号通路中插入单端至差分转换器后，即使引起ADC 规格参数劣化，裂化程度也是极小的。
图3：单端至差分转换器
图4：图3电路的FFT
AMPLITUDE：幅度
0V至5V单端输入
如果需要较宽的输入范围，那么可以驱动LT6350 的负输入，从而允许由LT6350 的第一级衰减输入电压。图5 所示电路将0V 至5V 单端信号转换为±2.5V 的差分信号，该差分信号驱动LTC2383-16 的输入。这个电路的输入阻抗等于R7。增大R7 的值会提高输入阻抗，从而使驱动更加容易。这么做的代价是，如果R7 增大到高于4.99k，那么噪声和失真会略有提高，如表1 所示。
图5：0V至5V单端驱动器
表1：0V至5V驱动器的噪声和失真随输入电阻的变化
R7,R10 |
R5,R9 |
R8 |
SNR |
THD |
2 |
1 |
0.665 |
92 |
-100 |
4.99 |
2.49 |
1.65 |
92 |
-101 |
10 |
4.99 |
3.32 |
91 |
-100 |
49.9 |
24.9 |
16.5 |
91 |
-97 |
100 |
49.9 |
33.2 |
91 |
-94 |
±10V单端输入
有些传感器提供高于和低于地的输出电压。图6 所示电路将±10V 的地参考单端信号转换为±2.5V 差分信号，该差分信号驱动LTC2383-16 的输入。输入阻抗仍然由R7 设定。表2 显示了图6 电路的噪声和失真随输入阻抗的变化。
图6：±10V单端驱动器
表2：采用±10V驱动器时噪声和失真随输入电阻的变化
R7,R10 |
R5,R9 |
R8 |
SNR |
THD |
3.24 |
0.402 |
0.357 |
92 |
-97 |
4.99 |
0.619 |
0.549 |
92 |
-97 |
10 |
1.24 |
1.10 |
92 |
-96 |
49.9 |
6.19 |
5.49 |
91 |
-96 |
100 |
12.4 |
11.0 |
91 |
-97 |
结论
LTC2383-16 是一款低功率、低噪声、16 位ADC，可非常容易地与种类繁多的传感器输出连接，包括范围很宽的单极性、双极性、差分和单端信号。