問題：

　　如何為ADC增加隔離而不損害其性能,？

　　答案：

　　對于隔離式高性能ADC，一方面要注意隔離時鐘,，另一方面要注意隔離電源,。

　　SAR ADC傳統(tǒng)上被用于較低采樣速率和較低分辨率的應(yīng)用。如今已有1 MSPS采樣速率的快速,、高精度,、20位SAR ADC，例如LTC2378-20 ,，以及具有32位分辨率的過采樣SAR ADC,，例如LTC2500-32。將ADC用于高性能設(shè)計時,，整個信號鏈都需要非常低的噪聲,。當信號鏈需要額外的隔離時，性能會受到影響,。

　　關(guān)于隔離,，有三方面需要考慮：

　　·確保熱端有電的隔離電源

　　·確保數(shù)據(jù)路徑得到隔離的隔離數(shù)據(jù)

　　·ADC（采樣時鐘或轉(zhuǎn)換信號）的時鐘隔離，以防熱端不產(chǎn)生時鐘

　　隔離電源（反激拓撲與推挽拓撲的比較）

　　對于傳感器應(yīng)用,，隔離電源通常在10 W以下范圍內(nèi),。

　　反激式轉(zhuǎn)換器被廣泛用于隔離電源。圖1顯示了反激式轉(zhuǎn)換器簡單可行的特點,。該拓撲的優(yōu)勢是只需要很少的外部元件,。反激式轉(zhuǎn)換器只有一個集成開關(guān)。該開關(guān)可能是影響信號鏈性能的主噪聲源,。對于高性能模擬設(shè)計,，反激式轉(zhuǎn)換器會帶來很多斷點，引起電磁輻射（稱為EMI）,，這可能會限制電路的性能,。

　　圖1.典型的反激式轉(zhuǎn)換器拓撲

　　圖2顯示了變壓器L1和L2中的電流。在初級（L1）和次級（L2）繞組中,，電流在短時間內(nèi)從高值跳變?yōu)榱?。電流尖峰可以在圖3的I（L1）/I（L2）跡線中看到,。電流和能量在初級電感中累積，當開關(guān)斷開時,，它們被傳輸?shù)酱渭夒姼?，產(chǎn)生瞬變。需要降低開關(guān)噪聲效應(yīng)導(dǎo)致的瞬變,，因此,，設(shè)計中必須插入緩沖器和濾波器。除了額外的濾波器之外,，反激拓撲的另一個缺點是磁性材料的利用率低,，而所需的電感較高，因此變壓器較大,。此外,，反激式轉(zhuǎn)換器的熱環(huán)路也很大，不易管理,。有關(guān)熱環(huán)路的背景信息,，請參閱應(yīng)用筆記AN139。

　　反激式轉(zhuǎn)換器的另一個挑戰(zhàn)涉及開關(guān)頻率變化,。圖3顯示了負載變化引起的頻率變化,。如圖3a所示，t1 < t2,。這意味著fSWITCH隨著負載電流從較高負載電流I1減小到較低負載電流I2而變化,。頻率的變化會在不可預(yù)測的時間產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。此外,，頻率也會因器件不同而異,，這使得更難以對其進行濾波，因為每個PCB都需要調(diào)整濾波,。對于一款5 V輸入范圍的20位SAR ADC,，1 LSB相當于大約5μV。EMI噪聲引入的誤差應(yīng)低于5μV,，這意味著為精密系統(tǒng)隔離電源時,，不應(yīng)選擇反激拓撲。

　　還有其他電磁輻射騷擾較低的隔離電源架構(gòu),。就輻射而言,，推挽式轉(zhuǎn)換器比反激式轉(zhuǎn)換器更合適。像LT3999這樣的推挽式穩(wěn)壓器提供了與ADC時鐘同步的可能性,，有助于實現(xiàn)高性能,。圖4顯示了隔離電源電路中的LT3999與ADC采樣時鐘同步的情況。請記住，初級到次級電容為開關(guān)噪聲提供了一個避免共模噪聲效應(yīng)的返回路徑,。該電容可以在PCB設(shè)計中利用重疊的頂層平面和第二層平面實現(xiàn),，以及/或者利用實際電容實現(xiàn)。

　　圖5顯示了變壓器處的電流波形（初級側(cè)和次級側(cè)電流）,，它更好地利用了變壓器,，提供更好的EMI行為。

　　圖6顯示了與外部時鐘信號的同步,。采集階段的末端與同步引腳的正邊沿對齊,。因此,，將有一個大約4μs的較長安靜時間,。這使得轉(zhuǎn)換器可以在該時間范圍內(nèi)對輸入信號進行采樣，并將隔離電源的瞬變效應(yīng)降至最小,。LTC2378-20的采集時間為312 ns,，非常適合<1μs的安靜窗口。

　　數(shù)據(jù)隔離

　　數(shù)據(jù)隔離可以使用數(shù)字隔離器實現(xiàn),，例如ADuMx系列數(shù)字隔離器,。這些數(shù)字隔離器可用于SPI、I2C,、CAN等許多標準接口,，例如ADuM140 可用于SPI隔離。 為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離,，只需將SPI信號SPI時鐘,、SDO、SCK和Busy連接到數(shù)據(jù)隔離器,。在數(shù)據(jù)隔離中,，電能通過感性隔離柵從初級側(cè)傳輸?shù)酱渭墏?cè)。需要添加電流返回路徑,，這由電容來完成,。該電容可以在PCB中利用重疊平面實現(xiàn)。

　　時鐘隔離

　　時鐘隔離是另一項重要任務(wù),。如果使用1 MHz采樣速率的20位高性能ADC,，例如LTC2378-20，可以實現(xiàn)104 dB的信噪比（SNR）,。為了實現(xiàn)高性能,，需要無抖動時鐘。為什么不應(yīng)使用像ADuM14x系列這樣的標準隔離器,？標準隔離器會增加時鐘抖動,，從而限制ADC的性能。更多詳細信息請參見設(shè)計筆記DN1013。

　　圖7顯示了不同頻率,、不同類型時鐘抖動下SNR的理論極限,。像LTC2378這樣的高性能ADC的孔徑時鐘抖動為4 ps，在200 kHz輸入下理論限值為106 dB,。

　　圖8顯示的標準時鐘隔離器概念包括：

　　像ADuM250N這樣良好的標準數(shù)字隔離器的抖動為70 ps rms,。對于100 dB SNR目標，由于時鐘抖動,，信號采樣速率限制為20 kHz,。

　　像LTM2893這樣優(yōu)化的時鐘隔離器提供30 ps rms的低抖動。對于100 dB SNR目標,，現(xiàn)在的信號采樣速率為50 kHz,，在全部SNR性能下可提供更多帶寬。

　　圖9：對于更高的輸入頻率,，應(yīng)使用LVDS隔離器,。ADN4654提供2.6 ps抖動，接近ADC的最佳性能,。在100 kHz輸入時,，時鐘抖動導(dǎo)致的SNR限值將是110 dB。

　　圖10：使用PLL凈化時鐘,。 ADF4360-9可以幫助減少時鐘抖動,。

　　圖11顯示了使用PLL凈化時鐘的更詳細框圖。您可以將ADF4360-9用作時鐘凈化器,，并在輸出端增加一個2分頻器,。AD7760額定支持1.1 MHz。

　　因此,，不能直接支持LTC2378等1 MSPS SAR ADC,。在這種情況下，低抖動觸發(fā)器會有幫助,。它將時鐘2分頻,。

　　圖13：本地產(chǎn)生時鐘是獲得具有所需抖動性能的時鐘的另一個方案。本地時鐘生成會使時鐘架構(gòu)更加復(fù)雜,，因為它將異步時鐘域引入系統(tǒng),。例如，若要使用兩個單獨的隔離ADC,，則時鐘的絕對頻率將會不同,，必須增加采樣速率轉(zhuǎn)換以重新匹配時鐘。有關(guān)采樣速率轉(zhuǎn)換的一些細節(jié),，請參閱工程師對話筆記EE-268,。

　　高性能Sigma-Delta ADC的時鐘

　　時鐘的類似問題也適用于高性能Sigma-Delta ADC,，如AD7760。這里,，重要的時鐘信號是無抖動過采樣時鐘,，例如40 MHz。這種情況下不需要額外的分頻器,。

　　結(jié)論

　　隔離式高性能ADC需要仔細設(shè)計隔離方案并選擇隔離技術(shù),，以實現(xiàn)高于100 dB的高性能SNR。應(yīng)特別重視隔離時鐘,，因為時鐘抖動的影響可能會破壞性能,。其次應(yīng)注意隔離電源。簡單的隔離拓撲（如反激）會引入高EMI瞬變,。

　　為了獲得更好的性能,，應(yīng)使用推挽式轉(zhuǎn)換器。還需要關(guān)注數(shù)據(jù)隔離（盡管不太重要）,，可用標準器件能提供良好性能,，對整體系統(tǒng)性能的影響較小,。介紹這三個隔離主題有助于設(shè)計人員提出高性能隔離系統(tǒng)解決方案,。

作者簡介

Wilfried Platzer曾在德國卡爾斯魯厄?qū)W習(xí)信息技術(shù)，側(cè)重于射頻技術(shù),。他1997年開始在ITT工作,，后來在TDK-Micronas工作。Wilfried擔任過多種職位,，從現(xiàn)場應(yīng)用工程師開始,，然后專注于混合信號IC的概念和系統(tǒng)架構(gòu)工程設(shè)計。11年后,，他跳到Auma從事電子預(yù)開發(fā)工作,。2015年，他加入凌力爾特公司（現(xiàn)為ADI公司的一部分）,。目前,，Wilfried是ADI公司的高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師，負責為瑞士提供區(qū)域支持,。