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测量、测试和仪器仪表的“节省能源” 的发展之路

 多年以前,精准电子测量是在科研院所的实验室环境中进行的,在这种环境中,有很好的电源供给,有充足的时间分配也能保证测量有极高的准确性。但现今,许多人希望将仪器仪表带到现场,让仪器仪表靠自身的电池供电运行,并能即刻实现高精确测量。模拟电路与数字电路不同,不会从较小的几何尺寸产生的比例效应中受益。如果功率消耗得较少,那么噪声 (精确测量的大敌) 实际上增加了。随着新的低压工艺出现,信噪比 (SNR) 变得更差了,这是可以理解的,因为电子产品世界信号幅度减小了。那么,在提高性能的同时,模拟信号链路怎样“走向绿色”呢?
  很多高速仪表的核心是一个高速模数转换器 (ADC)。例如,金属物体的非破坏性测试采用一种类似于医疗超声的成像方法,采用这种方法时,数字图像传感器为高速 ADC 提供信号。在有些情况下,会有很多通道,因此尺寸和功耗是关键。便携式电子产品世界仪表显然需要节省电池功率,不过即使是固定式安装,也会关注功率,无论是为了实施“绿色”计划,还是仅仅要在外形尺寸紧凑的仪表中最大限度地降低热量。ADC 的趋势是走向采用几何尺寸更小的工艺,并使用 1.8V 电源以降低功耗,但要实现与类似的 3V 器件同样或更高的性能,就需要更聪明的 ADC 设计。
  凌力尔特开发出了几款引脚兼容、采样率高达 125Msps 的 1.8V 超低功耗 12 位 / 14 位和 16 位 ADC 系列,这些器件以非常低的功率提供卓越的动态性能。这些新器件无需减少功能或提高前端放大器的要求,就可以极大地降低功耗。由于可以选择单、双、4 和 8 通道 ADC,因此客户可以实现非常高的通道密度,同时确保系统中的热量最低。不过,ADC 只是该链路的其中一部分。整个信号链路必须良好匹配,以使仪表顺利工作。
  匹配的信号通路设计
  就需要 16 位性能和超低功耗以延长电池寿命的应用而言,LTC2195 系列是理想的解决方案。便携式仪表是一个完美的例子。在很多应用中,来自传感器的信号必须在 ADC 采样前进行调理。就这项任务而言,选择与 ADC 性能匹配的低噪声、低功率放大器是很重要,例如可以选择 LTC6406,该器件与 LTC2195 系列是良好匹配的。
  LTC6406 是一款全差分放大器,具低噪声 (在输入端为 1.6nV/√Hz) 和高线性度 (在 20MHz 时为 +44dBm OIP3),采用小型 3mm x 3mm QFN 封装。增益是用外部电阻器设定的,从而为用户提供了最大的设计灵活性。低功耗 (用 3.3V 电源时为 59mW) 最大限度地降低了对系统功率预算的影响。这个放大器的共模电压范围还延伸至 0.5V,这意味着,它可以与 LTC2195 无缝配对,因为 LTC2195 具 0.9V 的标称共模电压。
  一般情况下,数字传感器的输出是单端的。这就要求 ADC 采样之前,进行单端至差分转换。如果 DC 响应也需要,那么就不能用变压器。这种情况就需要诸如 LTC6406 这种能进行单端至差分转换的低噪声放大器。
  该放大器之后必须跟随一个滤波器,以降低放大器的宽带噪声,并隔离放大器输出与 ADC 输入,ADC 输入产生与采样电容换向有关的共模干扰。滤波器有助于衰减这类干扰,从而保护了放大器。高阶滤波器并不需要,因为放大器的噪声相当低。转角频率为 12MHz 的滤波器用在这里就足够了,它不会降低 ADC 的性能。
  最终的滤波器应该设计仅为降低放大器的宽带噪声,而不是作为具陡峭过渡频带的选择性过滤器。滤波器的陡峭过渡频带会增加插入损耗,并减低放大器 OIP3,这会导致传感器信号失真。图 1 所示电路达到了这个目标。

图 1 显示了这个电路的性能。结果显示,在低输入频率时,放大器的线性度不会降低 ADC 的 SFDR。SNR 也保持在 76.5dB 不变。当以单位增益使用时,LTC6406 不降低 LTC2195 的 SNR 或 SFDR。


  图 1:FS = 125Msps 和 FIN = 1MHz 时,图 1 电路的 FFT 结果
  AMPLITUDE:幅度
  FREQUENCY:频率

  图 1:单端至差分接口至高速 ADC


  SINGLE ENDED INPUT:单端输入
  所采用的 ADC 是 LTC2195,该器件是一款 16 位 125Msps、同时采样、双通道 ADC,用单一 1.8V 电源工作。该器件以每通道 216mW 的功率实现了与消耗 1.25W 功率的 ADC 几乎同样的 SNR 性能。LVDS 串行接口允许该器件占用的电路板空间不到以前 ADC 的一半,还由于减少了 I/O 数,还允许使用更小的 FPGA。这个电路与 LTC6406 一起,仅消耗 275mW 功率,这对多通道系统而言是一个显然的优势。这个电路可以非常容易地应用于该系列的 14 位和 12 位器件,或应用于以低得多的采样率采样的转换器,从而进一步节省了功率。
  总结
  无论是实验室设备还是野外便携式设备,仪器仪表和测试设备向“节能绿色”的发展趋势是不可避免的。随着产品性能的提高和功耗要求的降低,匹配整个信号链路的组件变得非常重要了。就 16 位性能而言,LTC2195 这款 ADC 最适合分辨率很高且关注功率的传感器应用,而 LTC6406 则是一个匹配很好的驱动器放大器,该放大器不会使 LTC2195 的性能打折扣,而且其功率要求也很低。通过用一个相对低阶的滤波器来降低放大器的宽带噪声,该 ADC 的数据表性能可以非常容易地实现。LTC2195 与 LTC6406 的配对组合适用于任何便携式图像传感器应用,同时提供了卓越的性能和低功耗。

 

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