工业和信息化部主管 中国电子报社主办
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半导体

用于工业级信号的精密单电源差分ADC驱动器

电路功能与优势


标准单端工业信号电平(±5 V、±10 V或0 V至+10 V)与现代高性能16位或18位单电源


什么是电源?
电源

 


电源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所需要的电能。[全文]


SAR型ADC的差分输入范围并不直接兼容,需要使用适当的接口驱动电路对工业信号进行衰减、电平转换和差分转换,使其具有与ADC输入要求相匹配的正确幅度和共模电压。虽然可以利用电阻


什么是电阻?
电阻

 


电阻,物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体,简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体,简称绝缘体。 [全文]


网络和双通道运放来设计适当的接口电路,但电阻的比率匹配误差和放大器之间的误差会形成最终输出端的误差。特别是在低功耗水平上,实现所需的输出相位匹配和建立时间可能非常困难。


图1所示电路采用差分放大器


什么是差分放大器?
差分放大器

 


差分放大器属于一种特殊的仪表放大器,通常被设计用于需要较大的直流或交流共模干扰的场所。这其中包括通用的电流检测应用,如电机控制、电池充电和电源转换;另包括大量高共模电平的汽车电流检测应用,如电池电平监测、传动控制、燃油喷射控制、发动机管理、悬挂控制、电控转向、电控刹车、以及混合动力驱动和混合动力电池控制。因这此控制大多通过放大负载电路上分流电阻两端的电压差以获取电流,所以也常被称作电流分流放大器。 [全文]


AD8475 执行衰减、电平转换和差分转换,无需任何外部元件。其交流和直流性能兼容18位、1 MSPSAD7982 PulSAR? ADC以及该系列的其它16/18位产品,采样速率可高达4 MSPS。


AD8475是一款全差分衰减放大器,集成精密薄膜增益设置电阻,可提供精密衰减(0.4×或0.8×)、共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。采用5 V单电源供电时,其功耗仅为15 mW。18位、1 MSPS AD7982的功耗仅为7 mW,比竞争产品低30倍。该组合的总功耗仅为22 mW。



单端转差分ADC驱动器

 


图1. 单端转差分ADC驱动器(原理示意图:未显示去耦和所有连接)


电路描述


采用5 V单电源供电时,衰减放大器AD8475和18位差分ADC AD7982可以在高精度模拟前端系统中用于处理大电压信号。


AD8475通过其集成的精密调整电阻,将输入信号衰减0.4倍。采用5 V单电源时,它支持高达25 V峰峰值的电压。在低频时,差分轨到轨输出仅需50 mV的裕量。AD8475可以由真差分输入驱动,或者由单端输入驱动并提供单端差分转换,如图1所示。


AD8475与ADC之间的RC网络构成一个单极点滤波器


什么是滤波器?
滤波器

 


凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信装备和各类控制系统中,滤波器应用极为广泛;在所有的电子部件中,使用最多,技术最复杂要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣,所以,对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 [全文]


,可降低不良混叠效应和高频噪声。该滤波器的共模带宽为29.5 MHz(20 Ω、270 pF),差分带宽为3.1 MHz(40 Ω、1.3 nF)。


AD7982是一款18位、逐次逼近(SAR)型ADC,采用单电源(VDD)供电。I/O接口电压VIO可以在1.8 V至5 V范围内设置,取决于接口逻辑电源。AD7892具有真差分输入端,支持高达±VREF 的电压。ADR435 是一款5 V、低噪声(8 μV峰峰值,0.1 Hz至10 Hz)、高精度(B级为±2 mV)基准电压源,用于提供AD7982的REF电压和差分驱动器AD8475的电源电压。


两个连接到ADR435输出端的10 kΩ电阻构成一个分压器,用于设置AD8475输出端的2.5 V共模电压(VOCM)。这使得输入差分信号以最佳共模输入电压为中心,从而最大化ADC的动态范围。


对于20 V峰峰值单端输入信号,各差分输出端产生一个摆幅为+0.5 V至+4.5 V、180°反相的信号。


将一个20 kHz、20 V峰峰值信号输入AD8475时,最终SNR为96.3 dBFS,THD为-112.3 dBFS;这两个参数均参考AD7982的满量程范围,如图2的FFT图所示。


FFT图下方表格所示的信号电平是在AD7982的输入端测得。此点的满量程范围为10 V峰峰值差分,反映到AD8475的输入端为25 V峰峰值。输入测试信号为20 V峰峰值,所产生的信号比ADC的满量程输入低2 dB。



20 kHz信号的FFT图,比满量程低2 dB,采样频率1 MSPS

 


图2. 20 kHz信号的FFT图,比满量程低2 dB,采样频率1 MSPS


注意在这些条件下,AD8475各输出端的摆幅为供电轨的±500 mV范围,由于它为轨到轨输出结构,因此仍能实现出色的失真性能。


此电路已利用AD8475评估板(EVAL-AD8475Z)和ADI公司的PulSAR评估板及软件进行过测试。EVAL-AD8475Z是一款客户评估板,旨在简化对AD8475性能和功能的独立测试。该评估板还能结合ADI公司的任何SAR转换器


什么是转换器?
转换器

 


转换器从原理上可分为协议转换器、接口转换器两大类。从应用上又可以分光纤转换器、光电转换器、视频转换器等等。例如视频转换器就是一种连接电脑和电视的设备,它可以把电脑上的内容转换并显示在电视机上,让人们可以在电视上学电脑,上网,玩游戏,做商业演示,看股票等等。 [全文]


进行快速测试,其输出连接器


什么是连接器?
连接器

 


连接器是一种通常安装在电缆或者设备上,供传输线系统电连接的可分离元件(转接器除外)。国内亦称作接插件、插头和插座。一般是指电连接器。即连接两个有源器件的器件,传输电流或信号。 [全文]


能够直接与PulSAR*估板 (EVAL-AD76xx-CBZ) 的模拟输入连接器(SMB)相连。ADC转换器评估和开发板


什么是开发板?
开发板

 


开发板是基于单片机来进行系统开发的电路板,通常是由开发者根据具体需要来定制或者设计的。开发板是一套硬件系统,包括了CPU、存储器、输入设备、输出设备、数据通路和外部资源接口等。 [全文]


(EVAL-CED1Z) 将该设置通过USB连接到一台PC,如图3所示。


AD8475的输入信号由Audio Precision AP2700源提供。基于LabVIEW?的PulSAR评估软件可以用来控制Audio Precision输入信号,还能用来监控ADC的输入端和输出端。




 


图3. SAR ADC转换器评估平台。


注意:AD8475差分放大器评估板连接到PulSAR ADC评估板的SMB模拟输入连接器


常见变化


经验证,采用图中所示的元件值,该电路能够稳定地工作,并具有良好的精度。可以使用ADI公司的其它模数转换器


什么是模数转换器?
模数转换器

 


模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统,是一个滤波、采样保持和编码的过程。模拟信号经带限滤波,采样保持电路,变为阶梯形状信号,然后通过编码器,使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。 [全文]


代替AD7982,以实现所需的最高性能。AD8475最高能够驱动18位、4 MSPS的ADC,性能下降幅度极小。采样速率较快的18位ADC包括 AD7984 (1.33 MSPS)和 AD7986 (2 MSPS)。差分16位ADC包括 AD7688 (500 kSPS)和 AD7693 (500 kSPS)。


AD8475也可以直接用来驱动单端或伪差分输入ADC。可以将AD8475的轨到轨输出端驱动到各供电轨的0.5 V范围内,而不会引起交流性能的明显下降。


通过驱动IN 0.8×输入端,AD8475也能提供0.8倍的差分衰减。其电源电压非常灵活,既可以采用3 V至10 V单电源供电,也可以采用最高±5 V的双电源供电。



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