利用过采样增加SAR ADC的动态范围

您使用过任何ADC（Δ-Σ或SAR）并使其工作在过采样模式下吗？ 您是否得到了需要的结果？ 您遇到过什么问题吗？

以前有些关于Δ-Σ和SAR（逐次逼近型）ADC概述中，曾讨论过信噪比(SNR)和有效位数(ENOB)相关的过采样技术。 过采样技术最常用于Δ-Σ型ADC，但也可用于SAR ADC。 本文将对此做进一步讨论。 首先是系统级概要介绍：

用于光谱分析、磁共振成像(MRI)、气相色谱分析、振动、石油/天然气勘探和地震仪的高性能数据采集信号链要求具备高动态范围(DR)性能，同时降低功耗、尺寸和成本。 获得较高动态范围的一种方法，是对转换器过采样，以便精确监控并测量来自传感器微弱和强烈的输入信号。

还有其它多种方法可以提升ADC动态范围，比如并行运行多个ADC并对输出结果进行数字后期处理以获得平均值，或者使用可编程增益放大器。 然而，有些设计师可能会觉得这些方法太麻烦，或者觉得不能在他们的系统中实现——这主要是因为功耗、尺寸以及成本的限制。 本技术文章重点讨论高吞吐速率、5 MSPS、18/16位精密SAR转换器的过采样，利用直观的ADC样本求均值，提升动态范围性能。

过采样是一种 高性价比的过程，以大幅高于奈奎斯特频率的速率对输入信号进行采样，提升SNR和分辨率 (ENOB)，同时还能降低抗混叠滤波器的要求。 原则上讲，对ADC进行4倍过采样可额外提供1位分辨率，或增加6 dB的动态范围。 提升过采样率(OSR)可降低整体噪声并增加DR，因为过采样为ΔDR = 10log10 (OSR)，单位dB。

类似于Δ-Σ型ADC过采样、高吞吐速率SAR ADC过采样还能改善抗混叠性能，并降低总噪声。 很多情况下，过采样是Δ-Σ型ADC的固有属性，可以顺利实现，并且集成数字滤波器和抽取功能。 然而，Δ-Σ型ADC通常不适合用于输入通道间的快速切换（多路复用）。 如图1所示，Δ-Σ型ADC基本过采样调制器对量化噪声进行整形，使其大部分出现在目标带宽以外，从而增加低频下的整体动态范围。 然后，数字低通滤波器(LPF)过滤目标带宽以外的噪声，抽取器降低输出数据速率，使其回落至奈奎斯特速率。

图1. 奈奎斯特转换器过采样

关于其实际工作原理的示例，可参考AD7960和AD7961器件。 这两款器件分别是18/16位ADC，最高转换速率为5 MSPS。 它们使用专有的容性数模转换技术，可降低噪声并改善线性度，同时不会产生延迟或流水线延迟。 由于兼具低RMS噪声和高吞吐速率性能，因而实现了低噪底。 这使得这些ADC适合于过采样应用。

AD7960/AD7961系列采用1.8 V和5 V电源供电，在自时钟模式下进行转换时，5 MSPS速率的功耗仅为39 mW；而在回波时钟模式下进行转换时，5 MSPS速率的功耗为46.5 mW。 如图2所示，功耗随吞吐速率线性变化，使其非常适合低功耗便携式应用。

图2. AD7960功耗与吞吐速率的关系

图3. AD7960/AD7961评估设置的原理示意图（未显示所有去耦）

AD7960/AD7961系列可将反相模拟输入信号（IN+和IN−）的差分电压转换为数字输出信号。 模拟输入IN+和IN−要求共模电压等于基准电压的一半。 低噪声、低功耗放大器AD8031缓冲来自低噪声、低漂移ADR4550的5 V基准电压，还可缓冲AD7960/AD7961的共模输出电压(VCM)。

低噪声和超低失真ADA4899-1配置为单位增益缓冲器，并以0 V至5 V差分反相（相互之间呈180°反相）驱动AD7960/AD7961的输入。 电路使用+7 V和-2.5 V电源，用于ADA4899-1驱动器的输入，以最大程度降低功耗，实现最佳系统失真性能。 使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板评估设置简化原理图如图3所示。

在本文第一部分，我们开始讨论采用SAR ADC来降低噪声、增加动态范围和ENOB， 方法是基于过采样——一般用于低速、高分辨率∆-Σ型ADC——其它器件较少采用。 然后，我们进而讨论了使用评估板和软件的SAR ADC测试结果。

在第二部分，我们将继续讨论AD7960/AD7961。 我们还将讨论可用的评估板和软件，它们可以进行分析。 我们将看到这些ADC的性能如何。 通过ADC的FFT输出，使用评估板可轻松看出性能。

过采样能力由AD7960/AD7961评估软件对ADC输出样本简单求平均而实现，也就是说，将ADC样本数量相加，然后除以过采样率，从而提升动态范围。 该软件允许用户从配置选项卡的下拉菜单中选择高达256的过采样率，如图4所示。可实现的最大动态范围受限于系统的低频1/f噪声，该噪声在低于20 kSPS的较低输出数据速率下占主导地位。

图4. AD7960/AD7961评估软件面板

从直流到fs/2范围内的信号频谱以及平坦噪声如图5和图6所示，表示可对噪声进行过滤，使其降低至fs/(2 × OSR)，以改善动态范围和SNR。 此时，过采样动态范围是峰值信号功率与ADC输出FFT测量的噪声功率之比，测量范围为直流至fs/(2 × OSR)，其中fs表示ADC采样速率。

图5. AD7960在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出（OSR = 256，REF = 5 V）

图6. AD7961在无输入信号且fIN = 1 kHz时的过采样FFT输出（OSR = 256，REF = 5 V）

如数据手册所述，采用5 V基准电压源时，AD7960和AD7961可分别实现100 dB和96 dB典型动态范围；因此理论上由于256过采样，我们应当看到动态范围增加了24 dB。

在实际中，这些器件测得的过采样动态范围分别为122 dB和119 dB，在19.53 kSPS输出数据速率下进行256倍过采样时无输入信号，这与理论计算值相比动态范围下降了1 dB到2 dB。 它受到来自信号链组件、输入源和印刷电路板的低频噪声限制。 采用1 kHz满量程正弦波输入信号时，这些器件分别可实现大约111 dB和110 dB的过采样SNR。 图7显示AD7960如何随过采样率增加和输出数据速率下降而实现动态范围的增加。

图7. AD7960动态范围与输出数据速率的关系

MRI系统工作频段为1 MHz至100 MHz RF，而计算机断层扫描(CT)和数字X射线工作在1016 Hz至1018 Hz频率范围内，并且需要让病人暴露在电离辐射下，会损害活组织。 MRI梯度控制系统要求极高的动态范围、紧凑的线性度以及从DC到几十kHz的快速响应时间，并且要求在模拟或数字域中，其梯度精确控制到大约1 mA (1 ppm)以内，以增强图像质量。

使用具有优异规格数据的过采样SAR ADC（比如AD7960）可让设计工程师实现高动态范围，同时满足MRI系统的关键要求。 这类系统要求可在医院或医生办公室中重复、长期稳定测量。 设计工程师应当注意的其它要求是高分辨率、精度、低噪声、快速刷新速率和极低的输出漂移。

Maithil Pachchigar是ADI公司精密转换器业务部的一名应用工程师。 他于2010年加入ADI公司，为工业、仪表、医疗和能源行业的客户提供高精度ADC产品技术支持。 自2005年以来，Maithil一直在半导体行业工作，并已发表多篇技术文章。 他于2006年获得圣何塞州立大学电气工程硕士学位，并于2010年获得硅谷大学MBA学位。