你使用過任何ADC(Δ-Σ或SAR)並使其工作在過取樣模式下嗎？

你是否得到了需要的結果？

你遇到過什麼問題嗎？

……

以前有些關於Δ-Σ和SAR（逐次逼近型）ADC概述中，曾討論過信噪比(SNR)和有效位數(ENOB)相關的過取樣技術。過取樣技術最常用於Δ-Σ型ADC，但也可用於SAR ADC。今天我們將對此做進一步討論。

過取樣描述

過取樣是一種高性價比的過程，以大幅高於奈奎斯特頻率的速率對輸入訊號進行取樣，提升SNR和解析度 (ENOB)，同時還能降低抗混疊濾波器的要求。原則上講，對ADC進行4倍過取樣可額外提供1位解析度，或增加6 dB的動態範圍。提升過取樣率(OSR)可降低整體噪聲並增加DR，因為過取樣為ΔDR = 10log10 (OSR)，單位dB。

類似於Δ-Σ型ADC過取樣、高吞吐速率SAR ADC過取樣還能改善抗混疊效能，並降低總噪聲。很多情況下，過取樣是Δ-Σ型ADC的固有屬性，可以順利實現，並且整合數字濾波器和抽取功能。然而，Δ-Σ型ADC通常不適合用於輸入通道間的快速切換(多路複用)。如圖1所示，Δ-Σ型ADC基本過取樣調製器對量化噪聲進行整形，使其大部分出現在目標頻寬以外，從而增加低頻下的整體動態範圍。然後，數字低通濾波器(LPF)過濾目標頻寬以外的噪聲，抽取器降低輸出資料速率，使其回落至奈奎斯特速率。

圖1. 奈奎斯特轉換器過取樣

5 MSPS、18/16位精密轉換器

關於其實際工作原理的示例，可參考AD7960和AD7961器件。

AD7960/AD7961系列採用1.8 V和5 V電源供電，在自時鐘模式下進行轉換時，5 MSPS速率的功耗僅為39 mW；而在回波時鐘模式下進行轉換時，5 MSPS速率的功耗為46.5 mW。如圖2所示，功耗隨吞吐速率線性變化，使其非常適合低功耗行動式應用。

圖2. AD7960功耗與吞吐速率的關係

AD7960/AD7961評估設定

AD7960/AD7961系列可將反相模擬輸入訊號(IN+和IN−)的差分電壓轉換為數字輸出訊號。模擬輸入IN+和IN−要求共模電壓等於基準電壓的一半。低噪聲、低功耗放大器AD8031緩衝來自低噪聲、低漂移ADR4550的5 V基準電壓，還可緩衝AD7960/AD7961的共模輸出電壓(VCM)。

低噪聲和超低失真ADA4899-1配置為單位增益緩衝器，並以0 V至5 V差分反相(相互之間呈180°反相)驅動AD7960/AD7961的輸入。電路使用+7 V和−2.5 V電源，用於ADA4899-1驅動器的輸入，以最大程度降低功耗，實現最佳系統失真效能。使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板評估設定簡化原理圖如圖3所示。

圖3. AD7960/AD7961評估設定的原理示意圖(未顯示所有去耦)

上述內容開始討論了採用SAR ADC來降低噪聲、增加動態範圍和ENOB，方法是基於過取樣——一般用於低速、高解析度∆-Σ型ADC——其它器件較少採用。然後討論了使用評估板和軟體的SAR ADC測試結果。

接下里，我們將繼續討論AD7960/AD7961。我們還將討論可用的評估板和軟體，它們可以進行分析。我們將看到這些ADC的效能如何。通過ADC的FFT輸出，使用評估板可輕鬆看出效能。

測量結果

過取樣能力由AD7960/AD7961評估軟體對ADC輸出樣本簡單求平均而實現，也就是說，將ADC樣本數量相加，然後除以過取樣率，從而提升動態範圍。該軟體允許使用者從配置選項卡的下拉選單中選擇高達256的過取樣率，如圖4所示。可實現的最大動態範圍受限於系統的低頻1/f噪聲，該噪聲在低於20 kSPS的較低輸出資料速率下占主導地位。

圖4. AD7960/AD7961評估軟體面板

從直流到fs/2範圍內的訊號頻譜以及平坦噪聲如圖5和圖6所示，表示可對噪聲進行過濾，使其降低至fs/(2 × OSR)，以改善動態範圍和SNR。此時，過取樣動態範圍是峰值訊號功率與ADC輸出FFT測量的噪聲功率之比，測量範圍為直流至fs/(2 × OSR)，其中fs表示ADC取樣速率。

圖5. AD7960在無輸入訊號且fIN = 1 kHz時的過取樣FFT輸出

(OSR = 256，REF = 5 V)

圖6. AD7961在無輸入訊號且fIN = 1 kHz時的過取樣FFT輸出

(OSR = 256，REF = 5 V)

如資料手冊所述，採用5 V基準電壓源時，AD7960和AD7961可分別實現100 dB和96 dB典型動態範圍；因此理論上由於256過取樣，我們應當看到動態範圍增加了24 dB。

在實際中，這些器件測得的過取樣動態範圍分別為122 dB和119 dB，在19.53 kSPS輸出資料速率下進行256倍過取樣時無輸入訊號，這與理論計算值相比動態範圍下降了1 dB到2 dB。它受到來自訊號鏈元件、輸入源和印刷電路板的低頻噪聲限制。採用1 kHz滿量程正弦波輸入訊號時，這些器件分別可實現大約111 dB和110 dB的過取樣SNR。圖7顯示AD7960如何隨過取樣率增加和輸出資料速率下降而實現動態範圍的增加。

圖7. AD7960動態範圍與輸出資料速率的關係

應用示例

MRI系統工作頻段為1 MHz至100 MHz RF，而計算機斷層掃描(CT)和數字X射線工作在1016 Hz至1018 Hz頻率範圍內，並且需要讓病人暴露在電離輻射下，會損害活組織。MRI梯度控制系統要求極高的動態範圍、緊湊的線性度以及從DC到幾十kHz的快速響應時間，並且要求在模擬或數字域中，其梯度精確控制到大約1 mA (1 ppm)以內，以增強影象質量。

使用具有優異規格資料的過取樣SAR ADC (比如AD7960)可讓設計工程師實現高動態範圍，同時滿足MRI系統的關鍵要求。這類系統要求可在醫院或醫生辦公室中重複、長期穩定測量。設計工程師應當注意的其它要求是高解析度、精度、低噪聲、快速重新整理速率和極低的輸出漂移。