ZHCT909 March   2025 ADS8910B

 

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    1.     ADS8910简介
    2.     为什么需要输入驱动电路
    3.     ADC驱动电路的作用以及ADC驱动电路的关键器件选型
    4.     小结
    5.     参考文献

Sveinn Jia

ADS8910简介

ADS8910B是单通道，采样速率高达1Mbps的18位SAR ADC，内部集成reference buffer和LDO，可以有效提高ADC的精度以及简化外围电路设计。该器件广泛用于测试与测量，医疗成像，高精度高速数据采集系统中。更多的SAR ADC器件请参考TI官网。

本文主要讨论该器件为什么需要输入驱动电路，以及如何设计输入驱动电路。

为什么需要输入驱动电路

ADC驱动电路的作用和优势有很多，本小节主要从采样速率的角度来解释为什么需要添加驱动电路, 后面章节介绍驱动电路的设计以及其他优势。

SAR ADC主要是靠内部的采样和保持电路实现将输入的模拟信号保持在一个固定电平值上，并且确保在转换的过程中，信号不会发生变化。示意简图如下。更多SAR ADC相关知识，请参考TI高精度实验室系列培训视频。

SAR ADC的典型输入结构 图 1 SAR ADC的典型输入结构

假设我们设计系统的采样速率是1Mbps, 输入信号源等效阻抗5KΩ, VREF =5V, ADS8910B相关参数，查阅手册如下：CSH=60pF，采样时间Tacq=300ns， 转换时间Tconv= 640ns，RSH=50Ω

为保证采样精度，信号源必须使采样电容在ADC采集时间内充电至输入信号的1/2LSB误差内。根据电容的充电公式

方程式 1. V_capt=V_in×(1-exp⁡-tτ) 

则充电时间约为3.95us该时间>>300ns, 这会导致ADC采样误差很大。 实际上根据计算，300ns的充电时间只能充到输入信号的63.21%。下图是使用Analog Engineer's Calculator计算的结果。

未添加运放作为驱动电路时，采样时间内的采样精度 图 2 未添加运放作为驱动电路时，采样时间内的采样精度

如果我们添加运放作为buffer,可以有效降低信号源的输出阻抗到1Ω以下，我们以1Ω为例，则充电时间为大约为16ns,该时间远远低于300ns,不会在采集期间引入过量误差。

添加运放作为驱动电路时，采样时间内的采样精度 图 3 添加运放作为驱动电路时，采样时间内的采样精度

ADC驱动电路的作用以及ADC驱动电路的关键器件选型

运放是最通用的ADC驱动电路，该电路可以提供高输入阻抗，低输出阻抗，隔离信号源和ADC，有效抑制噪声耦合以及提升信号完整性。同时在运放输出端添加低通RC滤波器，可以有效避免信号混叠现象 (Anti-Aliasing) 的发生。

SAR ADC 典型驱动电路 图 4 SAR ADC 典型驱动电路

运放的选取高度依赖于输入信号的类型，以及对系统精度的要求。但仍有以下通用的关键指标需要被满足。

  • 单位增益带宽积至少大于4倍的输出RC滤波器的截至频率。
  • 运放的总的THD至少比ADC自身的THD低10dB以上。
  • 运放的噪声比ADC本体噪声低10dB
  • 建立时间要确认能在300ns的采集窗口内。

关于噪声以及THD的计算可以参考ADS8910B datasheet以及TI高精度试验室系列培训视频。

TI推荐使用OPAX625作为ADS8910B 的输入驱动。 OPAX625可以充分的满足以上的要求，通带噪声仅有2.5 nV/√Hz, 压摆率高达115V/us. 运放输出端的RC滤波器选型可参考如下：

CFilt一般取值为20倍左右的CSH, 如果该值过大会影响THD的性能，降低相位裕量。如果该电容值过小，则没办法充当电荷桶 (Charge Bucket) 的作用，同时无法有效滤除噪声。

RFilt对于ADS8910B 一般不超过20欧姆。 该电阻的添加可以有效提高放大器的稳定性，如果该值过大，可能会增大THD。

Rfilt与Cfilt组成的低通滤波器，截至频率一般为采样频率的5-10倍，这样可以有效滤除高频干扰，防止混叠效应。

下图是基于以上参数选型，使用TINA-TI进行噪声分析的结果，可以看到，基于以上设计，噪声大约为1.7uVRMS , 通过ADS98910B信噪比计算, ADS8910B本体噪声大约为13uVRMS. 满足驱动电路比ADC本体噪声低10dB的要求。

使用TINA进行OPA625分析噪声结果 图 5 使用TINA进行OPA625分析噪声结果

小结

本文重点讨论了ADS8910B为什么需要驱动电路，以及如何设计驱动电路。