AD4087：高速低噪SAR ADC的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集至關(guān)重要。AD4087作為一款14位、20 MSPS的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，憑借其高速、低噪聲、低失真等特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。今天，我們就來深入剖析這款A(yù)DC的特點(diǎn)、工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、AD4087的核心特性

高精度與高速度

AD4087具備14位分辨率且無失碼，吞吐量可達(dá)20MSPS，轉(zhuǎn)換延遲僅82.14ns。其噪聲頻譜密度低至35.61nV/√Hz，低頻噪聲（0.1Hz至10Hz）為383nV rms，能在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)保證數(shù)據(jù)的高精度。動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到85.5dBFS，在不同輸入頻率下，SNR/THD表現(xiàn)出色，如在fIN = 1kHz時(shí)，SNR典型值為85.39dB，THD典型值為 - 114.8dB。

低功耗設(shè)計(jì)

在20MSPS的采樣速率下，典型功耗僅68mW，這使得它在對功耗敏感的應(yīng)用中具有很大優(yōu)勢。同時(shí)，它還支持多種節(jié)能模式，如待機(jī)模式和睡眠模式，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求靈活切換，進(jìn)一步降低功耗。

易于驅(qū)動(dòng)

AD4087采用Easy Drive特性，具有6V p - p的差分輸入范圍和連續(xù)信號(hào)采集功能，輸入電流線性化且低至5μA/MSPS。這大大降低了信號(hào)鏈的復(fù)雜度和功耗，同時(shí)提高了通道密度和伴生組件選擇的靈活性。

豐富的數(shù)字特性和接口

它集成了低漂移參考緩沖器和去耦電容，內(nèi)置VCM生成功能。擁有16K樣本深度的轉(zhuǎn)換結(jié)果FIFO，以及支持高達(dá)$2^{10}$抽取的數(shù)字平均濾波器。支持SPI配置和可配置的數(shù)據(jù)接口，包括單通道、雙通道、DDR、串行LVDS等接口模式，單通道LVDS數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)280Mbps，為不同應(yīng)用場景提供了多樣化的選擇。

二、工作原理詳解

獨(dú)特的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)

AD4087的模擬輸入連接到兩個(gè)采樣電路，在轉(zhuǎn)換過程中，一個(gè)采樣器處于采集模式，另一個(gè)則對之前采樣的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無縫切換。與傳統(tǒng)SAR ADC相比，這種架構(gòu)大大增加了輸入信號(hào)的采集和穩(wěn)定時(shí)間，尤其在高采樣率下，能夠更好地保證轉(zhuǎn)換精度。

傳輸函數(shù)

AD4087將滿量程差分電壓$2 ×V{REFIN }$數(shù)字化為$2^{14}$個(gè)電平，當(dāng)$V{REFIN}$為3.0V時(shí)，LSB大小為366.21μV。文檔詳細(xì)給出了輸入電壓與差分輸出代碼的映射關(guān)系，這有助于工程師在設(shè)計(jì)中準(zhǔn)確理解和使用該ADC的輸出結(jié)果。

易驅(qū)動(dòng)的模擬輸入設(shè)計(jì)

其模擬輸入由全差分輸入對（IN+和IN - ）和一對輔助輸入（AUXIN+和AUXIN - ）組成。通過連續(xù)信號(hào)采集和高度線性化的模擬輸入電流等特性，降低了對驅(qū)動(dòng)放大器的帶寬和功率要求，同時(shí)減少了驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的失真。例如，在20MSPS采樣速率下，要使輸入電壓在14位分辨率下穩(wěn)定到1ppm范圍內(nèi)，傳統(tǒng)ADC需要帶寬約73MHz的驅(qū)動(dòng)，而AD4087僅需40MHz的帶寬，這使得設(shè)計(jì)可以選擇更低功耗、更低帶寬的驅(qū)動(dòng)放大器。

三、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

模擬前端設(shè)計(jì)

由于AD4087的獨(dú)特特性，它可以與多種驅(qū)動(dòng)放大器配合使用。例如，ADA4945 - 1全差分放大器（FDA）憑借其低功耗特性成為優(yōu)質(zhì)選擇。在選擇驅(qū)動(dòng)放大器時(shí)，需要綜合考慮帶寬、噪聲、失真和功耗等因素，具體可參考文檔中給出的驅(qū)動(dòng)放大器選擇表。

參考電路設(shè)計(jì)

AD4087需要一個(gè)3V的低噪聲、高精度、高穩(wěn)定性和低溫度漂移的外部參考源，推薦使用LTC6655、LT6657或ADR4530等參考源，其中LTC6655性能最佳。該ADC內(nèi)部集成了9.4μF的參考電容，參考輸入引腳內(nèi)部經(jīng)過緩沖，因此無需外部參考電容和放大器。在布局時(shí)，外部參考芯片應(yīng)盡可能靠近AD4087及其REFIN引腳，以減少走線的串聯(lián)阻抗。

數(shù)據(jù)接口時(shí)鐘設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)LVDS數(shù)據(jù)接口時(shí)，需要確保時(shí)鐘解決方案符合AD4087的時(shí)序規(guī)范，特別是轉(zhuǎn)換到時(shí)鐘的最大對齊時(shí)間要控制在±535ps內(nèi)。同時(shí)，要提供低抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換（CNV）時(shí)鐘，以避免對SNR性能產(chǎn)生不良影響。文檔中給出了單通道和雙通道LVDS數(shù)據(jù)接口時(shí)鐘的設(shè)計(jì)示例，為工程師提供了實(shí)用的參考。對于SPI數(shù)據(jù)接口，同樣需要注意CNV源的抖動(dòng)問題，以實(shí)現(xiàn)所需的性能。

電源解決方案

為保證AD4087的低噪聲和高采樣率性能，電源解決方案至關(guān)重要。該ADC集成了兩個(gè)內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器，同時(shí)所有電源軌都內(nèi)置了去耦電容，減少了外部組件數(shù)量，簡化了PCB布局和設(shè)計(jì)。對于外部電源軌，可以選擇LT3045或ADP150等LDO穩(wěn)壓器，它們具有超低噪聲和出色的電源抑制能力；對于高效率的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可選擇LT8604C，但需要注意開關(guān)頻率可能會(huì)影響應(yīng)用信號(hào)帶寬，設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行充分考慮。

四、結(jié)語

AD4087憑借其卓越的性能和豐富的特性，為高速、高精度數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供了理想的解決方案。無論是數(shù)字成像、細(xì)胞分析還是雷達(dá)液位測量等領(lǐng)域，它都能發(fā)揮重要作用。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)過程中需要充分理解其工作原理和應(yīng)用要點(diǎn)，合理選擇伴生組件和設(shè)計(jì)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否也遇到過類似ADC的選型和設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。