令人惊异的动态范围 凌力尔特SAR ADC代码运用全解
凌力尔特公司推出的101db snr的18位sar adc新系列一定令您振奋吧？为了实现令人惊异的动态范围，您需要确保最大的信号利用了该adc的整个满标度范围。换句话说，您需要运用所有代码。怎样才能做到这一点呢？
adc的信噪比（snr）定义为，adc可以处理的最大信号与该adc的本底噪声之比。为了实现高达102db的snr，ltc2379系列规定了10vpp的差分输入范围，这意味着两个输入中的每一个都可以在0v~5v范围内摆动。
在adc前面会有一个放大器。该放大器的作用是充当一个良好的电压源，以给adc的采样电容充电。adc输入是放大器输出，因此，针对adc输入从0v~5v摆动，该放大器的输出也必须在0v~5v范围内摆动。
如果有宽范围的电源轨可用，那么事情就很容易了。例如，也许您已经有部分前端靠±15v的电源运行。在这种情况下，任何靠这种电源轨运行的运算放大器，其输出都可以在0v~5v之间摆动。您可以使用lt1468实现极好的dc精度和快速建立时间，或者使用lt1124实现非常低的漂移和低1/f噪声，还可以使用lt6011实现封装非常小的微功率运算放大器。
如果您不喜欢使用±15v这种宽范围的电源，而仍然想要在0v~5v的整个范围内摆动，那么，可以仅针对最后一级放大器产生特殊的电源轨，例如，-2v和+7v。lt6350驱动ltc2379-18的参考设计准确地做到了这一点（图1）。用+7v电源给5v基准供电也很方便。
图1：通过用+7v和-2v的电源给lt6350供电，可以为每个adc输入从0v~5v摆动提供大量空间。这是dc1783a演示板上演示的缺省参考设计
不过，如果想用单一5v电源轨给放大器供电，会发生什么情况呢？您也许认为，利用轨到轨运算放大器就刚好有足够的空间在0v~5v摆动，但实际上却并非如此。轨到轨输出级并非是真正轨到轨的。这种输出级充其量也只能达到与每个轨相差约10mv的电压，而且这还是在硬限幅的情况下实现的，有时还会导致较慢的饱和恢复时间。如果需要良好的线性度（低失真），那么输出电压通常应该与每个轨相差至少数百毫伏。例如，新的低功率差分运放ltc6362（图2）用单一5v电源工作。其输出可以摆动至与任一电源轨相差约100mv的范围，该器件在与任一轨相差250mv以内时，保持》110db的线性度。如果您设计系统时，让感兴趣的最大信号不超过这个范围，那么您就运用了至少90%的adc代码，这意味着，实现了与规定动态范围相差不超过1db的动态范围。在很多情况下，这是最好的解决方案。实际上，知道放大器保证不会超过（或恶化、损害）adc的输入范围会让人安心。这自然而然起到了保护作用。
图2：即使每个输出摆动到与最近的轨相差250mv以内时，ltc6362差分运算放大器仍然保持》110db的线性度。这给以缺省模式运行的ltc2397-18 adc提供了-1dbfs的摆幅。如果以数字增益压缩模式配置adc，那么，为了仍然运用该adc的所有代码，ltc6362的输出仅需要8vpp的差分摆幅。
ltc2379系列提供了被称为数字增益压缩（dgc）的创新功能。打开这个功能时，adc将基准电压10%~90%的电压摆幅视为满标度。以这种方式工作时，采用一个5v基准，放大器输出仅需要在0.5v~4.5v范围内摆动，并且18位adc的所有262，144个代码仍然可以使用。您可以相应调整前端增益，并以18位分辨率获得满标度，同时，放大器仅用单一5v电源运行。即使用上所有代码，动态范围仍然会缩小一点，因为模拟电压摆幅从10vpp减小到了8vpp，同时，热噪声仍然保持不变。就18位adc而言，量化噪声非常小，因此，在数字增益压缩模式，将会损失大约2db的snr。就16位adc而言，在数字增益压缩模式仅损失1db的snr，因为您会从相应减小的量化噪声中受益。
单端（或伪差分）ltc2369系列不支持数字增益压缩。这是有意为之的，因为就单端单极性信号而言，接近零的性能通常最为重要。当信号很小时，您恰恰最重视高性能adc的精细分辨率和低噪声性能。就差分adc而言，当两个输入相等时，就得到了“零”。就单极性单端adc而言，当输入信号为地时，便得到“零”。因此，为了实现这种连接，您确实需要放大器能摆动到地。如果没有外部负电源可用，那么ltc6360可以用来解围。这款低噪声、高dc精度的高速运算放大器包括一个内置的片上充电泵，该充电泵在芯片上产生一个小的负偏置电压，给输出级供电。采用这种方式，输出可以完全摆动到0v，而不会接近失真或限幅状态。在高压侧，ltc6360的输出可以摆动至约4.5v。您或者可以将此定义为最大信号，并满足在5v基准的满标度的1db内，或者使用4.096v基准并在满标度范围内摆动。后一种系统完全靠单一5v电源工作，甚至包括基准本身（图3）。
图3：ltc6360运算放大器包括一个片上的超低噪声充电泵，该充电泵允许输出完全摆动至0v，而不会产生任何失真迹象。采用这种方式，便可以开发一个完全的单电源系统，该系统仍然可以向ltc2379-18伪差分adc提供满标度（包括零）范围摆动的电压。这个例子使用了一个4.096v基准，以便ltc6655基准ic也可以用5v模拟电源供电。
以上所有内容均探讨了驱动adc的运算放大器的输出摆幅。下面，我们应该把注意力转移到输入摆幅的限制上了。
有时，您想让最后一级运算放大器做的事情，就是缓冲信号并输入到adc，而不提供任何增益或电平移动。就一个配置为单位增益的运算放大器而言，输入摆幅与输出相同。这里的问题仍然是，如果您有范围很宽的电源轨可用（例如，±15v或-2v~+7v），那将不存在任何问题。但是，如果您想用单一5v电源使运算放大器工作，那么有可能产生一种想法，即认为所需做的所有工作是，在很多轨到轨输入运算放大器中选出一个，然后一切都将正常工作。不过，轨到轨输入级实际上是由两个并联输入级组成的：一个在输入接近正轨时工作；另一个在输入接近负轨（或地）时工作。这两个输入级每个都有自己的失调电压。当信号从一个输入级转换到另一个输入级时，在“切换”点会产生一个失调电压阶跃。这会导致系统传递函数的非线性。您需要查看运算放大器的数据表，以弄清在两种状态下，是否都对失调进行了微调。如果没有进行微调，那么非线性就可能对16位或18位inl性能有很大的不利影响。在另一方面，ltc6360在整个输入工作范围内对失调进行了严格的调整。结果，即使信号在0v~4v范围内摆动时，谐波失真仍然能保持低于-100db。这个范围涵盖了切换点，就这款运算放大器而言，切换点电压约为3.6v。
另一种降低运算放大器输入摆幅要求的方法是，采用反相配置的放大器。例如，如图4所示，lt6350的每一个运算放大器都配置为反相，以便运算放大器输入的dc电压保持在电源电压范围中间的某个部位。这样，输入共模没有任何问题。诸如ltc6362的差分运算放大器本身就总是反相的。当用于如图所示的单端到差分转换时，运算放大器输入确实有摆动，但摆幅远小于信号本身的幅度。请注意，在每一个反相配置中，电路的输入阻抗都是电阻性的，因此必须确保前面的电路能驱动这个电阻。
图4：通过以反相模式配置lt6350的第一个运算放大器，即使给这个电路加上一个±10v的信号，该ic的输入电压也没有变化。ltc2379-18的数字增益压缩将运放输出的0.5v~4.5v摆幅转换为满标度，从而即使仅用单一电源供电，也可以提供所有代码。
总之，凌力尔特提供了全线的放大器解决方案，以使所需信号进入最高性能的16位和18位adc.
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如果有宽范围的电源轨可用，那么事情就很容易了。例如，也许您已经有部分前端靠±15v的电源运行。在这种情况下，任何靠这种电源轨运行的运算放大器，其输出都可以在0v~5v之间摆动。您可以使用lt1468实现极好的dc精度和快速建立时间，或者使用lt1124实现非常低的漂移和低1/f噪声，还可以使用lt6011实现封装非常小的微功率运算放大器。
如果您不喜欢使用±15v这种宽范围的电源，而仍然想要在0v~5v的整个范围内摆动，那么，可以仅针对最后一级放大器产生特殊的电源轨，例如，-2v和+7v。lt6350驱动ltc2379-18的参考设计准确地做到了这一点（图1）。用+7v电源给5v基准供电也很方便。
图1：通过用+7v和-2v的电源给lt6350供电，可以为每个adc输入从0v~5v摆动提供大量空间。这是dc1783a演示板上演示的缺省参考设计
不过，如果想用单一5v电源轨给放大器供电，会发生什么情况呢？您也许认为，利用轨到轨运算放大器就刚好有足够的空间在0v~5v摆动，但实际上却并非如此。轨到轨输出级并非是真正轨到轨的。这种输出级充其量也只能达到与每个轨相差约10mv的电压，而且这还是在硬限幅的情况下实现的，有时还会导致较慢的饱和恢复时间。如果需要良好的线性度（低失真），那么输出电压通常应该与每个轨相差至少数百毫伏。例如，新的低功率差分运放ltc6362（图2）用单一5v电源工作。其输出可以摆动至与任一电源轨相差约100mv的范围，该器件在与任一轨相差250mv以内时，保持》110db的线性度。如果您设计系统时，让感兴趣的最大信号不超过这个范围，那么您就运用了至少90%的adc代码，这意味着，实现了与规定动态范围相差不超过1db的动态范围。在很多情况下，这是最好的解决方案。实际上，知道放大器保证不会超过（或恶化、损害）adc的输入范围会让人安心。这自然而然起到了保护作用。
图2：即使每个输出摆动到与最近的轨相差250mv以内时，ltc6362差分运算放大器仍然保持》110db的线性度。这给以缺省模式运行的ltc2397-18 adc提供了-1dbfs的摆幅。如果以数字增益压缩模式配置adc，那么，为了仍然运用该adc的所有代码，ltc6362的输出仅需要8vpp的差分摆幅。
ltc2379系列提供了被称为数字增益压缩（dgc）的创新功能。打开这个功能时，adc将基准电压10%~90%的电压摆幅视为满标度。以这种方式工作时，采用一个5v基准，放大器输出仅需要在0.5v~4.5v范围内摆动，并且18位adc的所有262，144个代码仍然可以使用。您可以相应调整前端增益，并以18位分辨率获得满标度，同时，放大器仅用单一5v电源运行。即使用上所有代码，动态范围仍然会缩小一点，因为模拟电压摆幅从10vpp减小到了8vpp，同时，热噪声仍然保持不变。就18位adc而言，量化噪声非常小，因此，在数字增益压缩模式，将会损失大约2db的snr。就16位adc而言，在数字增益压缩模式仅损失1db的snr，因为您会从相应减小的量化噪声中受益。
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以上所有内容均探讨了驱动adc的运算放大器的输出摆幅。下面，我们应该把注意力转移到输入摆幅的限制上了。
有时，您想让最后一级运算放大器做的事情，就是缓冲信号并输入到adc，而不提供任何增益或电平移动。就一个配置为单位增益的运算放大器而言，输入摆幅与输出相同。这里的问题仍然是，如果您有范围很宽的电源轨可用（例如，±15v或-2v~+7v），那将不存在任何问题。但是，如果您想用单一5v电源使运算放大器工作，那么有可能产生一种想法，即认为所需做的所有工作是，在很多轨到轨输入运算放大器中选出一个，然后一切都将正常工作。不过，轨到轨输入级实际上是由两个并联输入级组成的：一个在输入接近正轨时工作；另一个在输入接近负轨（或地）时工作。这两个输入级每个都有自己的失调电压。当信号从一个输入级转换到另一个输入级时，在“切换”点会产生一个失调电压阶跃。这会导致系统传递函数的非线性。您需要查看运算放大器的数据表，以弄清在两种状态下，是否都对失调进行了微调。如果没有进行微调，那么非线性就可能对16位或18位inl性能有很大的不利影响。在另一方面，ltc6360在整个输入工作范围内对失调进行了严格的调整。结果，即使信号在0v~4v范围内摆动时，谐波失真仍然能保持低于-100db。这个范围涵盖了切换点，就这款运算放大器而言，切换点电压约为3.6v。
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总之，凌力尔特提供了全线的放大器解决方案，以使所需信号进入最高性能的16位和18位adc.
从1到N的发散，未来机器人的应用是决定胜负的关键
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