防止前端冲突

末端应用中的趋势表明:OEM们仍在追求更高的速度和分辨率以及更低的失真、损耗及更小的尺寸和更低成本。但转换器设计者并没有为满足客户的这些需求开发出全新的架构,实际上也很少有设计者这么做。相反,现有架构的发展已经远远超出了其发明者的想象,继续在 IC 业的一个竞争非常激烈的领域中快速发展。

趋势

这种发展一直是很迅速的。例如,在 EDN杂志的最近一次高速ADC调查中,正在出售的最快速12比特转换器是Analog Devices公司的 AD9433(参考文献 1)。AD9433 运行速度是125MS/s,功率是1.25W,带宽是 750MHz。而在我们目前的调查中,至少有 5 家制造商已在提供速度范围在 125MS/s ~ 1GS/s的器件,分辨率与速度有关,为8比特~14比特。

前次调查情况是,最快的转换器多数是建立在基于 SAR(逐次逼近寄存器)的架构或流水线架构上的。长期以来一直是大学研究课题的高速Δ-Σ结构,正开始填补SAR 在商用市场中留下的空白。

随着厂商以迅猛的速度“争当第一”,产品推出的速度似乎正在加快。糟糕的是,在产品后的几个季度,厂商提供的只是一些初步的数据表。初步的数据表并非只有坏处。实际上,它们帮助 IC 制造商和早期采用产品的客户更快地开始合作。但是,有些数据表有多个修订版(有时多达 8 个以上),使人们在获得 IC 样品时,很难以无差错的方式来做设计。

另一方面,与过去几年相比,制造商们时常玩的规格游戏不那么流行了,至少不那么明显了。多数数据表规定了最重要参数的最低和最高性能限度,有些是在 IC 的整个工作温度范围内规定这些限度。最低 ENOB(有效比特数)规格较常见,但仍然不普遍。缺乏规格时,你可以从最低 SINAD 直接计算 ENOB:

转换器的交流特性对于中等速度的通信是个挑战,在射频时更是如此(见附文《单值悖论》)。如果你在高速转换器方面的知识并不丰富,就应该在转换器选择上多花些时间。速度和分辨率相似的转换器之间有很多微妙的差别,结果,数据表长度往往接近于

其中L是长度,f 是时钟速率,m 是与厂商有关的变量。这一类别中,只有很少的器件有来自第二个来源的直接等价物。对于制造商而言,更常见的一个倾向是提供引脚兼容的“升级途径”,使你能够把某项设计迁移到更高的分辨率或时钟速率。

随着基础技术和电路技术的成熟,以及高速转换器领域市场规模的扩大和竞争的加剧,主要制造商提供的规格变得更严格了。例如,关于数据表的一项简要研究表明:静态误差一般很小。最高 DNL(差分非线性)通常小于 1LSB。结果,制造商保证不丢失代码的分辨率一般等于铭牌上的分辨率,只有极少数例外。INL(积分非线性)通常也小于 1LSB,只在很少的器件中超过几个 LSB。静态性能很高,伴随而来的是交流性能很高,这是因为静态非线性和失真之间存在关系。因此,噪声主导着很多转换器的 ENOB。多数高速 ADC 的数据表显示的 SNR 和 SINAD(信号、噪声和失真)规格只相差十分之一或十分之几分贝。这种情况下,如果数据表没有规定最差情形下的 ENOB 或 SINAD,那么通过结合 SNR 和单独报告的失真信息,你也许能够合理地估算 SINAD。不过,如果你估算的分量包括典型值,尤其是当你的估算接近应用的最低要求时,就应格外小心了。

正如已经提到的那样,IC 制造商们往往希望胜过其他公司一筹,都声称自己的转换器是最快的。在特定分辨率,多数应用并不需要市场上最快的转换器,而只需要足够快的转换器。只要转换器制造商能够满足你的设计对速度的需要,那么就直接的用处而言,进一步提高速度也许还不如逐渐改善 ENOB、功耗或成本,这些特性在可用器件领域展现了丰富的多样性。

多数高速转换器制造商能够提供广泛的布局信息和适合于各种应用的缓冲放大器的相关建议。多数制造商还提供评估板,从而使你迅速开始设计工作,并在设计周期的后期作为比较点。尽管有这么高级别的应用支持,但你还是必须仔细把转换器与附近其它子电路之间的相互影响降到最低限度(参考文献 2)。

逐次逼近

过去几个季度的典型 SAR 转换器的速度大约是参考文献 1 中讨论的器件的两倍。使用 ENOB 和最大取样速率的乘积作为品质因数,表现突出的产品包括 Texas Instruments 公司的 ADS7881、Analog Devices 公司的 AD7621、Linear Technology 公司的 LTC1403a (表 1)。

Analog 公司的 16 比特 AD7621 提供三种工作方式,外加“省电方式”。在所谓的翘曲方式(用于采样不足的应用)中,AD7621 每秒能取样 2.5M 次,值得提醒的是,连续转换之间的间隔不应超过 1 ms。如果转换不满足该准则,比如在突发转换的开始或加电序列之后,那么你应该忽略第一次转换。AD7621 的正常工作方式不要求最低转换速率,运行速度是 2MS/s。还有一种低功耗方式,就是 Analog Devices 公司的《星际迷航》迷们所称的脉冲方式,根据取样速率来调节功耗,最大速率为 1.25MS/s。根据最新的初步资料,该公司还没有“牵引束”选件,因此你必须把 LQFP-48 或可选的 LFCSP-48 封装焊接到印制电路板,就像你对其它所有器件所做的那样。

AD7621 依靠单一 2.5V 供电电压来工作,具有片上低漂移基准、基准缓冲器、温度传感器。如果你把该转换器与外部输入选择器一起使用,那么转换器就能测量自身的温度,这样你可以利用这些数据来提高整个工作温度范围内的校准精度。

Linear Technology公司的14比特 LTC1403A转换器工作速度是2.8MS/s,功耗仅为 21mW,供电电压是 3V。实际上,在最近推出的 SAR 转换器中,LTC1403A 及其姊妹产品12比特 LTC1403,按照 ES/P(ENOB 与取样速率的乘积除以功耗)品质因数的测量结果来看,是单通道器件中能量效率最高的。LTC1403和 LTC1403A 有两种低功耗空转方式。在小睡方式中,在正常供电情况下,功耗降至不超过 4.5mW 的水平。芯片使内部基准电压保持偏置,这样,转换器就能够在一个时钟周期内醒来。在睡眠方式中,基准的偏置也关闭,并且耗电进一步降至不超过 45mA 的水平。一旦处于睡眠状态,转换器要花 2 ms时间苏醒,主要是因为基准的转换时间和稳定时间,假定负载是推荐的 10mF。

在低于100kHz的频率时,LTC1403A 的差分输入提供的 CMRR(共模抑制比)一般高于 80dB,超过了期望的20dB/ 10倍频滚降

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。该器件的 ENOB 几乎与尼奎斯特点一致,在这一点,随着失真现象增加,ENOB会下降。一种三线串行控制接口使 LTC1403 和 LTC1403A 可以置于 MSOP-10 封装中,使这些器件对于便携系统或现场 嵌入式系统应用而言很有吸引力。

Texas Instruments 公司 (TI) 的 12 比特 ADS7881 的采样速度高达 4MS/s。与 LTC1403 一样,ADS7881 有两种低功耗待机方式,把功耗从 110mW 最大值降到小睡方式的不足 10 mW 和睡眠方式的 9μW。苏醒时间一般分别是 60 ns和 25 ms。

ADS7881 的采样/保持放大器提供伪差分输入,你应该用匹配的源阻抗来驱动这种输入,以便在输入电压范围和工作温度范围内把偏移、增益和线性误差降到最小。输入信号范围是 0 ~2.5V。伪差分中的“伪”是指转换器对输入信号采样,并把它们送到电容器阵列,该阵列抑制共模分量,不过只是在有限的 ±200mV 电压范围内。在该范围内,典型 CMRR 在 1MHz 时等于 60 dB。

ADS7881 有一个并口,因此采用 TQFP-48 封装。你可以按照字节方式来配置该转换器的 12 比特数据端口,用于 8 比特处理器。在这种安排中,你的处理器在两次连续的字节读操作期间读取 12 比特数据。

I/Q 解调和多相电机控制等若干应用均受益于信号对的同步采样。廉价的双通道转换器以一种高效率利用电路板空间和电源的方式满足了这种需要。Linear Technology 公司的 14 比特 1.5MS/s LTC1407A 双通道 ADC 提供了在两个采样/保持放大器上进行的同时采样,这两个放大器共享一个 3MS/s SAR 内核(图 1)。转换器在两个采样/保持放大器之间来回切换,并装载一对 14 比特锁存器。