ZHCA918B October 2018 – August 2024 ADS9224R , ADS9234R , THS4551 , TMUX1109
| 輸入（THS4551 輸入） | ADC 輸入（THS4551 輸出） | 數(shù)字輸出 ADS7042 |
|---|---|---|
| VinP = +0.23V，VinN = +3.866V，VinMin(Dif) = -3.636V | VoutP = +0.23V，VoutN = 3.866V，Vout(Dif) = -3.636V | 8E60H -2908810 |
| VinP = +3.866V，VinN =0.23V，VinMax(Dif) = +3.636V | VoutP = 3.866V，VoutN = +0.23V，Vout(Dif) = +3.636V | 71A0H +2908810 |
| Vcc | Vee | Vref | Vocm |
|---|---|---|---|
| 5 | 0V | 4.096V | 2.048V |
設(shè)計(jì)說明
該雙同步采樣 SAR ADC 和 4 × 2 通道多路復(fù)用模擬前端數(shù)據(jù)采集解決方案可以測(cè)量 ±3.866V 范圍內(nèi)的差分電壓信號(hào)，支持高達(dá) 3MSPS 的 ADC 采樣速率（或 750kSPS/通道的有效采樣速率）和 16 位的分辨率。該電路由雙同步采樣 SAR ADC 組成，每個(gè) SAR ADC 連接到兩個(gè) 4:1 (2x) 多路復(fù)用器，每個(gè) ADC 提供 4 個(gè)差分輸入通道。八個(gè)全差分放大器 (FDA) 驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用 SAR ADC 輸入。該電路適用于精確測(cè)量光學(xué)模塊 和模擬輸入模塊 等應(yīng)用中的雙路同步信號(hào)。也可用于伺服驅(qū)動(dòng)器控制模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器位置反饋 和伺服驅(qū)動(dòng)器位置傳感器 等電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。
規(guī)格
| 規(guī)格 | 目標(biāo)值 | 計(jì)算值 | 仿真值 |
|---|---|---|---|
| 雙通道 ADC 采樣速度 | 3Msps | 3Msps | 3Msps |
| 采樣速率/通道（雙通道，同步） | 750kSPS (3MSPS / 4) |
750kSPS (3-MSPS / 4) |
750-kSPS (3MSPS / 4) |
| 瞬態(tài) ADC 輸入穩(wěn)定 | << 1 LSB << 125μV |
不適用 | 20μV |
| 噪聲（ADC 輸入端） | 50μVrms | 55.9μVrms | 51.1μVrms |
設(shè)計(jì)說明
- 由于雙通道同步采樣和高吞吐量 (3MSPS) 要求，選擇了 ADS9224R。
- 選擇 TMUX1109 4:1 (2x) 多路復(fù)用器以針對(duì)每個(gè) ADC 支持 4 通道差分輸入。
- 確定 ADC 滿量程范圍、分辨率和共模范圍規(guī)格?！霸x擇”部分中介紹了該內(nèi)容。
- 根據(jù)共模和輸出擺幅規(guī)格，確定 FDA (THS4551) 的線性范圍。“元件選擇”部分中介紹了該內(nèi)容。
- 為 ADC 輸入端的所有濾波電容器選擇 COG 電容器，以更大程度地減少失真。
- 選擇 FDA 增益電阻器 RF1,2、RG1,2。使用 0.1% 20ppm/°C 薄膜電阻器或更佳的電阻器，以實(shí)現(xiàn)良好的精確度、低增益漂移并更大程度地減少失真。
- SAR ADC 前端元件選擇簡(jiǎn)介 中介紹了選擇電荷桶電路 Rfil1、Rfil1 和 Cfil 的方法。這些元件值取決于放大器帶寬、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣速率以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。此處所示的規(guī)格值可為本示例中的放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供良好的穩(wěn)定和交流性能。如果改動(dòng)了設(shè)計(jì)，必須選擇其他的 RC 濾波器。
- THS4551 通常用于高速精密全差分 SAR 應(yīng)用，因?yàn)樗哂凶銐虻膸捠?ADC 輸入采樣和多路復(fù)用器電荷注入產(chǎn)生的電荷反沖瞬態(tài)穩(wěn)定，并提供到 SAR ADC 電壓范圍的共模電平轉(zhuǎn)換。
元件選型
瞬態(tài)穩(wěn)定優(yōu)化
TINA 仿真用于優(yōu)化 RC 反沖濾波器，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性和瞬態(tài)穩(wěn)定。瞬態(tài)仿真包含多路復(fù)用器 (TMUX1109) 的兩個(gè)相鄰?fù)ǖ?。為了?duì)多路復(fù)用器掃描序列期間的最壞情況瞬態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行仿真，應(yīng)將兩個(gè)相鄰的通道分別設(shè)置為接近正滿量程和負(fù)滿量程的電壓。在多路復(fù)用器仿真電路中對(duì)多路復(fù)用器漏極電容和串聯(lián)電阻進(jìn)行了建模。在采集期間，SAR ADC 的采樣保持電容器必須在 SAR ADC 的 16 位分辨率范圍內(nèi)穩(wěn)定。該仿真電路的簡(jiǎn)化版原理圖如下所示：
多路復(fù)用器和 ADC 控制時(shí)序
下圖顯示了 ADC 轉(zhuǎn)換控制 (CONVST) 和多路復(fù)用器通道控制時(shí)序。ADS9224R 支持 3Msps 的最大采樣速率或 333ns 的最短周期時(shí)間。為了避免在 CONVST 信號(hào)的上升沿之前切換通道，在 CONVST 上升沿之后的多路復(fù)用器通道控制時(shí)序中實(shí)現(xiàn)了短暫的延遲。有關(guān)該主題的詳細(xì)理論，請(qǐng)參閱 TI 設(shè)計(jì)適用于高電壓輸入的 16 位、400kSPS、四通道多路復(fù)用器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)。
瞬態(tài)穩(wěn)定結(jié)果
以下 TINA 瞬態(tài)仿真顯示了在相鄰多路復(fù)用器通道之間發(fā)生滿量程階躍變化后 FDA、多路復(fù)用器和 SAR ADC 采樣保持的穩(wěn)定。該類型的仿真表明已正確選擇采樣保持反沖電路和 AFE 放大器電路。請(qǐng)參閱 SAR ADC 前端元件選擇簡(jiǎn)介，了解如何選擇 RC 濾波器以實(shí)現(xiàn)出色的穩(wěn)定和交流性能。
交流傳輸特性
該電路具有 0dB (1V/V) 的增益和 16.45MHz 的仿真頻率帶寬。請(qǐng)注意，計(jì)算的帶寬和仿真的帶寬非常接近（計(jì)算值 = 17.62MHz，仿真值 = 16.45MHz）。有關(guān)帶寬計(jì)算和仿真的總體概述，請(qǐng)觀看運(yùn)算放大器帶寬。
系統(tǒng)帶寬由輸出濾波器進(jìn)行設(shè)置：
穩(wěn)定性仿真圖
在 TINA 中使用以下電路來測(cè)量環(huán)路增益并在 TINA 中使用交流分析來驗(yàn)證相位裕度。在反饋環(huán)路中使用電阻器 RISO = 10? 來增大相位裕度。該電路具有良好的穩(wěn)定性（大約 45 度的相位裕度）。請(qǐng)觀看運(yùn)算放大器穩(wěn)定性，以了解有關(guān)該主題的詳細(xì)理論。
噪聲仿真
下圖顯示了 FDA 電路的 TINA 仿真總噪聲。請(qǐng)參閱計(jì)算 ADC 系統(tǒng)的總噪聲，了解有關(guān)此主題的詳細(xì)理論。請(qǐng)注意，計(jì)算的噪聲和仿真的噪聲非常接近（計(jì)算值 = 55.9μVrms，仿真值 = 51.5μVrms）。
設(shè)計(jì)中采用的器件
| 器件 | 主要特性 | 鏈路 | 其他可能的器件 |
|---|---|---|---|
| ADS9224R | 16 位分辨率，SPI，3MSPS 采樣速率，全差分輸入，集成 2.5V 基準(zhǔn)，雙通道，同步采樣，低延遲 | 具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和增強(qiáng)型 SPI 的 16 位、3MSPS、雙通道、同步采樣 SAR ADC | 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) |
| THS4551 | 150MHz，3.3nV ÷ √Hz 輸入電壓噪聲，全差分放大器 | 低噪聲精密 150MHz 全差分放大器 | 全差分放大器 |
主要文件鏈接
德州儀器 (TI)，SBAC219 TINA 文件，軟件支持