如何设计-130-dB超低失真数据采集系统

数据采集​​系统(DAS)是工业,医疗和电信应用的标准测量和分析仪器,包括医学成像,音频和振动分析以及模拟和数字调制系统的测试。在大多数情况下,采集和数字化信号通过快速傅里叶变换(FFT)处理,得到的频谱分析由三个动态性能参数量化:信噪比(SNR),无杂散动态范围(SFDR) )和总谐波失真(THD)。(有关这些术语的详细说明,请参阅附录A:“动态参数的定义。”)

为了准确测量关键参数,DAS本身必须具有比被测信号好得多的性能。DAS性能的极限由其模数转换器(ADC)以及ADC驱动器运算放大器和电压基准决定,但除了使用合适的元件外,还有更多成功的系统设计。

达到设计目标还需要仔细选择相关的无源元件和值,因为单独的高性能有源元件是必要的,但还不够。在建立最终的原理图和物理布局之前,必须对系统噪声和失真进行分析,以便与所选组件建立可靠性能的可信界限。

逐步完成设计目标的程序 


此设计的目标是开发具有以下基本属性的超低THD,高SNR DAS:

  • 分辨率:20位
  • 采样率:1.6 MSPS
  • 输入信号幅度±3V双极性差分
  • 输入频率范围0至20 kHz
  • 参考电压:3 V.
  • ADC的模拟电源电压:1.8 V.
  • 功耗(仅限ADC):1.6 mW @ 1.6 MSPS


下面的表1列出了相关的性能目标:

表格1



为了达到这种性能水平,选择了以下设备:

  • MAX11905是一款超低失真,20位逐次逼近型ADC,工作电压为1.6 MSPS,如图1所示;
  • MAX44205是一款超低失真驱动放大器,增益带宽积(GBWP)为180 MHz;
  • MAX6126是一款超低噪声,低漂移电压基准电压源。




图1:MAX11905 20位ADC的框图

该工艺的下一个关键部分是设计运算放大器驱动器和低通RC滤波器来驱动ADC。为了满足ADC的采集时间,必须选择具有足够GBWP(增益带宽积)的运算放大器和具有适当时间常数的RC滤波器。

下面的表2详细说明了识别所需运算放大器的最小GBWP以及低通滤波器的R和C值的逐步程序。运算放大器和低通RC滤波器都是驱动电路的一部分。

表2



应遵循所示顺序来计算运算放大器驱动器的GBWP要求和低通RC滤波器的建立时间。在绿色 的表项表明,用户需要这些ADC和驱动器的规格来设计驱动器和过滤器,以及橙色 项表示用户必须选择一定范围内的值,而红色的条目指示驱动器和过滤器的要求基于ADC规格。(还涉及其他计算,但它们超出了本文的范围。)

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