ZHCAC71 March   2022 ADC128S102-SEP , ADC128S102QML-SP , ADS1278-SP , ADS1282-SP , LF411QML-SP , LM101AQML-SP , LM111QML-SP , LM119QML-SP , LM124-SP , LM124AQML-SP , LM136A-2.5QML-SP , LM139-SP , LM139AQML-SP , LM148JAN-SP , LM158QML-SP , LM185-1.2QML-SP , LM185-2.5QML-SP , LM193QML-SP , LM4050QML-SP , LM6172QML-SP , LM7171QML-SP , LMH5401-SP , LMH5485-SEP , LMH5485-SP , LMH6628QML-SP , LMH6702QML-SP , LMH6715QML-SP , LMP2012QML-SP , LMP7704-SP , OPA4277-SP , OPA4H014-SEP , OPA4H199-SEP , THS4304-SP , THS4511-SP , THS4513-SP , TL1431-DIE , TL1431-SP , TLC2201-SP , TLV1704-SEP

 

  1.   摘要
  2. 1元件和拓扑选择 - 快速找到良好的起点
  3. 2验证
    1. 2.1 详细设计流程 – 验证时域响应
    2. 2.2 总噪声分析
    3. 2.3 线性度或频率响应
    4. 2.4 稳定性
    5. 2.5 稳定时间
  4. 3总结

1 元件和拓扑选择 - 快速找到良好的起点

以下章节使用表 1-1 所描述的示例设计。

表 1-1 模拟前端示例的设计目标参数
参数 设计目标
通道计数 8
带宽和采样率 40kHz，> 100ksps
输入满量程 (FSR) ±10V FSR

共模电压

大约 0V 共模

目标分辨率，ENOB

> 16 位

输入阻抗 (ZIN) 目标

> 100kΩ

耐辐射性

TID：> 50krad，SEL：> 60 (MeV × cm2/mg)

TI 航天产品指南 的航天级数据转换器 部分显示 ADS1278-SP 非常符合这些要求。

GUID-20211213-SS0I-KMC9-QKVL-ZN9JJKZRKXWB-low.jpg图 1-1 TI 航天产品指南中列出的 TI 航天级精密 ADC

下一步是找到合适的 ADC 驱动器。为了获得出色的抗噪性和线性度，建议使用全差分放大器 (FDA)。

为了找到合适的产品，必须了解此类 FDA 的最小单位带宽增益积。模拟工程师计算器在这里提供了很大的帮助。

GUID-20211213-SS0I-XGDZ-XTQQ-3VK1VBTWQLVC-low.jpg图 1-2 模拟工程师计算器 – Drive Wideband Delta-Sigma ADC

图 1-2 说明了 Data Converter 菜单提供 Drive Wideband Delta-Sigma ADC 项。图中的参考原理图显示了所有相关的元件值。白色字段必须由用户输入，灰色字段是结果值。定义的第一个变量是最小单位带宽增益积 (UGBW)。换言之，放大器的增益必须等于或大于 1 的频率。由于 ADC 将切断高于奈奎斯特或被 2 分频的采样频率的任何信息，因此放大器的 UGBW 大约为采样频率的三分之二就足够了。例如，对于 1kHz 的采样率，请查看最小 UGBW 是否为 636.6Hz。

本报告示例中选择的 ADC 是 Σ-Δ ADC。请务必记住，Σ-Δ ADC 是给定调制频率下的 1 位 ADC。实际采样率仅是完整采样字从其产生的频率。AFE 设计的相关频率是高得多的调制频率。

由于现代 ADC 的灵活性和复杂性，从数据表中读取调制频率并不总是非常容易。ADS1278-SP 提供不同的工作模式，支持不同的主时钟速率。图 1-3 展示了实际调制频率仅为主时钟的四分之一。在本示例中，ADS1278-SP 以高速模式运行：128ksps，fCLK 为 32.786MHz。FCLK 除以 4 可得到 8.192MHz 的实际调制频率。

GUID-20211213-SS0I-MJ7T-N41K-4FD5L1GWKDWQ-low.jpg图 1-3 从 ADS1278-SP 数据表中读取调制频率
图 1-4 显示，在模拟工程师计算器中输入调制频率“8.192M”(8.192MHz) 将确定最小 UGBW 为“5.215M”(5.215MHz)。

GUID-20211213-SS0I-03P2-V9NP-ZV4JDV0ZBFWC-low.jpg图 1-4 使用模拟工程师计算器确定 FDA 的最小单位带宽增益积

图 1-5 展示了显示四个 FDA 的 TI 航天产品指南。四个产品都可提供足够的 UGBW。作为本报告的一个示例，选择了 UGBW 为 850MHz 的最低一个 (LMH5485-SP)。

GUID-20211213-SS0I-CLV5-304C-QQSG5KCPP0BM-low.jpg图 1-5 根据 TI 航天产品指南选择适合的 FDA

选择该选项后，现在可以填写 模拟工程师计算器中其余的空白字段，请参阅图 1-6。

参数 说明
Ro-dif Ro-dif 是“开环输出阻抗”。LMH5485-SP 耐辐射 (RHA) 负轨输入、轨到轨输出、850MHz 全差分精密放大器 数据表仅提供 0.1Ω 的闭环输出阻抗。

典型特性 中的小信号频率响应与增益间的关系 图：LMH5485-SP 数据表的 5V 单电源 部分提供了增益与频率间的关系曲线。对于 8.192MHz 的调制频率，该图显示大约为 38dB，即大约 80。

考虑以下关系：
闭环输出阻抗 × 开环增益 = 开环输出阻抗

Ro-dif 计算公式如下：

90 × 0.1Ω = 8Ω。
为 Ro-dif 字段输入“8”(8Ω)。
Riso Riso 通常调优为一个较小值。此处使用“0”(0Ω)。
Rg 和 Rf 对于单位增益，Rg 和 Rf 必须相同。“1k”(1kΩ) 通常是一个很好的起点。
IPP LMH5485-SP 数据表允许高达 75mA 的输出电流。不必要的高输出电流会导致 FDA 功率损耗和发热，从而可能导致偏离理想工作点。在此示例中，“8m”(8mA) 的值足以进行计算。
fin 所需带宽为 40kHz。留出一些裕度，“50k”(50kHz) 在这里是一个不错的选择。
UGBW FDA 的 UGBW 为“859M”(850MHz)。
CSH 使用 ADS1278-SP 耐辐射 8 通道 24 位同步采样模数转换器 数据表的等效模拟输入电路 图片中的 CSH：“9p”(9pF)。
CFILT 将 CFILT 定义为最后一个条目之前 - 按 Calculate 按钮获取 Cfilt_min 更新值“180p”(180pF) 和 Cfilt_max 更新值“5.1n”(5.1nF)。使用“2.2n”(2.2nF) 作为介于 5nF 和 180pF 之间的值。
GUID-20211213-SS0I-ZFM5-M58M-ZH4GFG480NZG-low.jpg图 1-6 具有 LMH5485-SP 和 ADS1278-SP 的参考原理图的用户定义值和计算值，满足示例设计目标

在本章中，借助 TI 航天产品指南 选择了合适的 ADC 和 ADC 驱动器，并采用模拟工程师计算器确定了其支持电路，包括所有元件值。此外，还对电路以及已开发的每个有源和无源器件的作用有了基本的了解。