提升ADC分辨率的電路設計

許多數據采集系統都要求高精度和快速采集數據，以便允許該系統能夠檢測小信號并且能將更多的傳感器通道聚集在同一系統。傳感器通道越多，系統的外形就能夠越小，成本和功耗也越低。遠程光通信和醫用設備（例如，CT掃描儀）即得益于快速和高精度的數據采集系統。在光功率系統（例如，激光泵）中，需要不斷監視其功率水平。在這種數據采集系統中，對于需要≥90dB動態范圍的輸入激光功率，其激光控制環路響應時間要求具有1MSPS的采樣率。在CT掃描儀中，數據采集系統必須具有16 b到22 b的分辨率，以便處理通過各種人體組織的寬動態范圍的X射線信號。該系統需要大量的光檢測器（較多的數據采集通道）和高精度數據采集以提高圖像分辨率。
　　以上兩個例子說明了系統要求的是相對精度，而非絕對精度。盡管能夠檢測出10nW的功率變化相對于1μW的輸入光功率很重要，但同樣的10nW變化作為1.00001mW與1mW之差的絕對值則顯得無足輕重。然而表征模數轉換器（ADC）精度的技術指標--積分線性誤差（INL）是一種絕對誤差。為了獲得最佳相對精度，本文提出一種創新的解決方案是在精密ADC前端使用可編程增益放大器（PGA）。AD7677 ADC的滿量程線性誤差為±15 ppm（在16 bit分辨率條件下為±1 LSB）。在此ADC前端的PGA達到穩定狀態的建立時間必須足夠快，以便與具有相同分辨率ADC的轉換速度相匹配。另外，該PGA還必須具有盡可能低的噪聲，因為它決定數據采集系統的信噪比（SNR）。為了解決這些問題，本設計中的放大器采用AD8021運算放大器，它具有滿足設計要求的速度、精度和快速建立時間，并且其電壓噪聲譜密度僅為2 nV/√Hz。圖1示出該PGA增益設置與其ADC精度的對應關系。當輸入信號幅度很低時能使該系統達到19 b精度。

（See Fig 2 of original article）
圖2 通過PGA與16 位ADC結合使系統提供19 位精度