连接/参考器件

AD7091R 超低功率、12位、1 MSPS ADC

AD8031 2.7 V、800 μA、80 MHz轨到轨I/O单路放大器

评估和设计支持

电路评估板

AD7091R评估板(EVAL-AD7091RSDZ)

系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1中的电路是超低功耗数据采集系统，采用12位、1 MSPS SAR ADC AD7091R 和运算放大器驱动器AD8031，电路的总功耗低于5 mW，采用3 V单电源供电。

所选器件的低功耗和小封装尺寸使得这种组合成为业界**的便携式电池供电系统解决方案，在这种系统**耗、成本和尺寸极为关键。

当VDD引脚为3 V时，AD7091R的电源电流典型值仅为350 μA，远低于目前市场上的任何ADC竞争产品。这意味着典型功耗约为1 mW。

AD8031仅需800 μA的电源电流，电源电压为3 V时的典型功耗为2.4 mW，在10 kHz模拟输入信号下以1 MSPS的速率进行采样时，系统总功耗低于5 mW。

电路描述

针对模拟信号，大多数SAR ADC需要合适的输入缓冲器以获得*佳性能。当内部采样保持开关从保持切换到采样时，缓冲器可将信号源与ADC输入产生的瞬变相互隔离。驱动ADC的缓冲器必须从该瞬变中恢复，并在ADC采集时间之内建立至所需精度。这在信号源具有高阻抗，并且低失真和高信噪比极为关键的应用中尤为重要。因此，选择合适的缓冲器运算放大器便成为该设计中极为重要的一个环节。

AD7091R是一款12位、快速、超低功耗、单电源供电ADC，集成2.5 V内部基准电压源。该器件可采用2.7 V至5.25 V电源供电。AD7091R的吞吐速率可达1 MSPS。当输入信号为10 kHz、采样速率为1 MSPS时，该器件的总功耗约为2.3 mW。

在无需1 MSPS采样频率的应用中，这一数字将下降，因为AD7091R的功耗与吞吐速率成正比，如表1所示。

可通过降低转换器的吞吐速率而进一步降低功耗。表1显示当电源为3 V且器件工作在普通模式下，AD7091R的典型功耗与吞吐速率的关系。

表1表示激活关断模式后可减少的功耗。当AD7091R工作在较低的吞吐速率时，关断模式对于大幅度降低电源需求极为有效。

AD7091R采用小型3 mm × 2 mm、10引脚LFCSP或3 mm × 5 mm、10引脚MSOP封装。两款封装与同类竞争解决方案相比，大幅度节省了空间。

AD8031是一款低功耗轨到轨输入/输出运算放大器，是AD7091R驱动放大器的优化版本。AD8031采用2.7 V至12 V电源供电，支持通过一个供电轨驱动两个IC。AD8031带宽为80 MHz，压摆率为30 V/μs，达到0.1%精度的建立时间为125 ns。

当采用单电源工作时，AD8031的输出可达负供电轨的20 mV以内。若要达到0 V输入的线性度，则AD8031需要一个额外的负电源(参考指南MT-035)。

图1显示了简化电路图。使用100 nF和10 μF陶瓷电容可对IC电源引脚实现良好的接地去耦。将这些电容放置于尽可能靠近两个IC的电源引脚的位置。

切记，该ADC的模拟输入信号不能超过供电轨300 mV以上。如果信号超过此电平，内部ESD保护二极管将呈正偏，并开始向基板内传导电流。二极管的*大导通电流为10 mA，不会导致不可恢复的器件损坏。可通过在VIN和AD7091R的电源供电轨之间连接一对肖特基二极管达到保护的作用，如指南MT-036中所描述。

AD7091R集成了一个内部2.5 V基准电压。针对REFIN/REFOUT引脚的良好去耦可达到指定的性能。REFIN/REFOUT电容的典型值为2.2 μF。注意可通过外部加载内部基准电压。

若使用了外部基准电压，则该电压范围必须为2.7 V至VDD，并且必须连接REFIN/REFOUT引脚。调节器旁路(REGCAP)去耦电容的典型值为1 μF。

施加于VDRIVE输入的电压控制串行接口的逻辑电平电压。将该引脚连接至逻辑系列的电源电压，该电源电压与AD7091R数字输出相连。可将VDRIVE设为1.8 V至VDD范围内的值。VDRIVE去耦电容的典型值为100 nF，与10 μF并联。

若需忙碌指示功能，可在VDRIVE和SDO引脚之间连接一个100 kΩ的上拉电阻。

用于缓冲AD7091R模拟输入的AD8031被配置成一个单位增益缓冲器。在运算放大器的输出级后面连接一个单极点RC滤波器，以降低带外噪声。RC滤波器的截止频率设为660 kHz。然而，根据系统吞吐速率的要求，该参数可能有所不同。对于AD7091R未工作在*大吞吐速率下的系统，可降低滤波器的截止频率。取决于模拟信号的输入幅度和失调，可将AD8031运算放大器配置成提供增益、衰减和电平转换，以匹配ADC模拟输入范围的输入信号摆幅。

表1. AD7091R在3 V、普通模式下的典型功耗与吞吐速率的关系

注意，采样时转换开始脉冲宽度 = 20 ns，VDD = VDRIVE = 3 V。

图2和图3表示电路的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)曲线。注意INL和DNL低于±1 LSB。

图4表示针对8192个样本计算的FFT数据;采样速率为1 MSPS，模拟输入频率为10 kHz。SNR为70.44 dBFS。

该电路必须构建在具有较大面积接地层的多层印刷电路板(PCB)上。为实现*佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考指南MT-031、指南MT-101以及CN-0247设计支持包中展示的AD7091R评估板布局)。

根据应用和传感器的具体要求，可以更改AD7091R和AD8031周围的器件值。例如，可配置缓冲器以提供增益和失调，并且RC滤波器的截止频率可根据采样频率和输入频率而变化。

有关完整的文档包，包括原理图、电路板布局以及物料清单(BOM)，请参考http://www.analog.com/CN0247-DesignSupport

电路评估与测试

为了评估和测试AD7091R与本电路笔记所述电路，我们开发了评估板EVAL-AD7091RSDZ。有关详细的原理图和用户指南，请参考EVAL-AD7091RSDZ文档。图5显示测试设置的功能框图。

设备要求

为测试该电路，需要如下设备：

· EVAL-AD7091RSDZ评估板(包括软件和9 V直流壁式电源适配器)

· EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台电路板

· 一个低失真信号发生器，如Agilent 81150A或Audio Precision System Two 2322

· 带USB 2.0端口的PC，运行Windows® XP、Windows Vista或Windows 7(32位或64位)

· 电源：9 V直流壁式电源适配器(包括在评估板中，外部3 V / 50 mA直流电源)

设置

连接任何硬件之前，确保EVAL- AD7091RSDZ评估板上的连接位置如下：

· LK1：位置A(选择AD8031作为输入缓冲器)

· LK2：位置A(输入J5连接至输入缓冲器)

· LK5：位置A(使能外部VDRIVE源)

· LK6：位置B(使能外部VDD源)

之后，根据评估板文档中所述连接硬件并安装软件。

测试

请参考评估板文档，查看如何运行本电路笔记中所述各种测试的完整描述。