閃光的未必都是金子！仔細閱讀相關數據手冊數據，正確選擇部件
作者：Tejaswini Anand ADI 產品應用工程師
應用工程師經常會重復回答不同客戶提出的相同問題，尤其是客戶針對應用進行器件選型相關咨詢時。我們注意到客戶進行器件選型時有一個誤區，他們往往過于依賴數據手冊中的所謂“數據表”。我是說令人心動的規格。“哇！那個ADC的信噪比好高！”這就是客戶面對高信噪比ADC時的反應，他只注意到這個比較突出的特性，卻忘記考慮其他重要的數據規格。接下來我們還會談到其他常見的問題，以及如何為您的應用選擇合適的器件。
我最近遇到一個客戶案例，他需要一個適合地震和振動相關應用的ADC。他知道自己需要一個具有高信噪比(SNR)和良好總諧波失真(THD)的ADC，并且認為信噪比高于110 dB就可以。由于振動傳感器會輸出不斷變化的交流電壓信號并疊加于直流電壓信號上，因此我們需要一個高性能、高分辨率ADC，它必須具有高信噪比才能正確獲取數字信號，而不會受到振動相關應用中噪音的太大影響。客戶在選擇器件時，通常是在第三方網站根據需求進行參數搜索來篩選出一些器件，然后只查看每個產品的主頁及其產品說明，隨之就會被數據手冊中描述產品亮點的第一頁所吸引。通常，數據手冊的內容要復雜得多，除了首頁亮點之外，還需要進行深入的研究。這位客戶也看了ADI的一款精密ADC AD7768 的首頁，發現它的信噪比只有108 dB（動態范圍和信噪比都反映了有效值噪聲，由于它們成正比，幾乎可以同等對待）。
圖 1.ADI 的一款精密 ADC （ AD7768/AD7768-4 ） 數據手冊的首頁。
這位客戶的反應是，“哦！這款ADC絕對不適合我的應用。它的信噪比只有108 dB！”繼續往下滾動，他發現另一個表格，如圖2所示，其中顯示了兩個不同濾波器的信噪比。
圖 2.AD7768/AD778-4 的技術規格表
他總結道：“好吧...我可以使用sinc5濾波器來得到111 dB信噪比。但我最近從另一家公司看到了另一款產品，它的信噪比高于115 dB，我應該選擇后者。”
等一下！這樣比較是錯誤的。在確定ADC運行速度的輸出數據速率(ODR)和確定分辨率以及輸出噪聲的信噪比之間存在取舍關系。1 ODR越高，信噪比越小，反之亦然。因此，每個ODR對應于一個信噪比值。首先一定要確定所需的輸出速率，然后根據相應的信噪比值比較ADC。這位客戶將一個在256 kSPS下信噪比為108 dB的器件和ODR僅為1 kSPS時信噪比超過115 dB的另一個器件進行比較。因此，雖然基于首頁數據，看起來一種產品比另一種產品的信噪比要低，后者更適合特定應用。但是，這樣比較數據并不準確。
從圖3中可以看到，隨著ODR增加，有效值噪聲也增加，并影響數字信號值，從而降低其信噪比。圖4顯示AD7768數據手冊中的一個屏幕截圖，可以看到，寬帶和sinc5濾波器配置在1 kSPS ODR下的信噪比分別是123.88 dB和126.89 dB，遠遠高于在該ODR下競爭器件的信噪比。
圖 3. 輸出數據速率與有效值噪聲
圖 4.AD7768/AD7768-4 的噪聲性能和 ODR 。
選擇器件之前必須謹記以下幾點：
務必選擇適用于工作條件的相關規格。在確定哪款器件適合之前，一定要比較VREF、VDD、功耗、工作模式、工作溫度范圍和一些其他規格。信噪比值本身取決于以上所有參數，必須根據應用要求來確定這些參數，不能僅憑數據手冊的第一頁來選擇信噪比值。圖5顯示在不同的VREF電壓和不同溫度下，AD7768的有效值噪聲以及信噪比值有何不同（有效值噪聲與信噪比成反比）。其他參數也有類似的不同。
圖 5.(a) 有效值噪聲與溫度， (b) 不同 VREF 值的每通道有效值噪聲。
數據手冊中不會提供所有VREF、ODR等的相關值，這意味著，我們必須從給出的信息中推斷出數據來獲得所需值。
選擇器件時務必謹慎。典型值與最小值和最大值不同。雖然大多數情況下可以預期達到典型值，但如果應用對給定參數的最小值和最大值敏感，就必須考慮值的整個范圍。LTC6268 和ADA4530-1 數據手冊的第一頁。
圖 6.(A) LTC6268 數據手冊的第一頁 ， (b) ADA4530-1 數據手冊的第一頁。
當客戶在添加高阻抗源后需要使用放大器作為下一級時，他們大多會考慮輸入偏置電流非常低的放大器。理想情況下，沒有電流進入運算放大器的輸入端。但實際操作中，始終會有兩個電流IB+和IB-流入運算放大器的輸入端。這些稱為輸入偏置電流。對于高阻抗源，應選擇輸入偏置電流較小的放大器以避免其輸入級產生壓降。LTC6268和ADA4530-1以“超低偏置電流FET輸入運算放大器”和“飛安輸入偏置電流放大器”的產品名在市場上銷售。粗略地瀏覽一下它們數據手冊的第一頁，如圖6所示，可以看到，在室溫下，LTC6268有3 fA，而ADA4530-1有20 fA，這可能會使客戶認為前者更適合低輸入偏置電流需求。由于數據手冊各不相同，LTC6260的第一頁列出了典型偏置電流，而ADA4530-1數據手冊的第一頁并未列出典型偏置電流，而是列出了最大偏置電流。再次強調，典型值與最小值和最大值不同！如果應用對這些值很敏感，則我們應考慮最壞情況下的最小值和最大值，而不是典型值。
圖 7.(a) LTC6268 的技術規格 ， (b) ADA4530-1 的技術規格。
圖7顯示LTC6268和ADA4530-1的技術規格。可以看到，盡管兩款器件的最大輸入偏置電流額定值相同(±20 fA)，但ADA4530-1的典型值小于1 fA，比LTC6268的3 fA偏置電流好得多。但這個數字并沒有在ADA4530-1數據手冊的第一頁突出顯示。因此，需要仔細閱讀數據手冊。盡管ADA4530-1的典型輸入偏置電流特性更好，但這些器件的其他特性可能有所不同，僅憑這個特性并不足以確定哪款器件更優。
總之，我想強調這樣一個事實，一定要先確定應用的工作條件，然后尋找適合其用途的規格。有時，數據手冊的首頁或標題可能突出顯示某些其他規格和工作條件的特性，在這種情況下，我們必須仔細閱讀數據手冊，謹慎地選擇適合我們需求的規格。在選擇器件之前，我們還應確定我們產品的功率預算，因為肯定能找到具有出色特性和規格的器件，但可能相應的成本較高，功耗也高。
參考文獻
1 “第20章：模數轉換 。”ADI公司，2013年9月。
作者簡介
Tejaswini Anand是ADI公司中央應用中心(CAC)團隊的一名產品應用工程師。她對系統設計很感興趣，并研究ADI的各種產品組合及其應用和特性。Tejaswini于2019年畢業于印度班加羅爾拉什特里亞.維德亞拉揚工程學院(R.V. College of Engineering)，成為一名電子通信工程師。她曾參加各種國家級機器人比賽和黑客馬拉松，并在一些比賽中獲獎。
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