SAR ADC的隔离
wilfried platzer
如何在不影响adc性能的情况下为adc添加隔离？
对于隔离式高性能adc，请关注隔离式时钟，另一侧关注隔离电源。
sar adc传统上用于较低的采样速率和较低的分辨率。如今，可以使用 ltc20-1 等采样速率为 2378 msps 的快速、高精度、20 位 sar adc，以及 ltc32-2500 等具有 32 位分辨率的过采样 sar adc。在设计高性能以利用adc性能时，整个信号链需要非常低的噪声。当信号链需要额外的隔离时，性能将受到影响。
需要考虑三个隔离主题：
隔离电源，确保热侧供电
数据隔离，确保数据路径隔离
adc（采样时钟或转换信号）的时钟隔离，以防时钟未在热侧产生
隔离电源（反激式和推挽式拓扑之间的比较）
反激式转换器被广泛用于隔离电源。图1显示了反激式转换器的简单性。拓扑的优点是只需要几个外部组件。反激式转换器只有一个集成开关。该开关可能是影响信号链性能的主要噪声源。对于高性能模拟设计，反激式转换器具有许多称为emi的电磁辐射形式的高不连续性，这会限制电路的性能。
图1.典型的反激式转换器拓扑。
图2显示了变压器l1和l2中的电流。初级 （l1） 和次级 （l2） 绕组中的电流在短时间内从高值跃升至零。电流尖峰如图1中的i（l2）/i（l3）迹线所示。电流和能量积聚在初级电感中，并在开关关闭时传输到次级电感，从而产生瞬变。需要减少开关噪声效应的瞬变，因此必须在设计中插入缓冲器和滤波器。除了额外的滤波器外，反激式拓扑的另一个缺点是磁性材料的利用率低，由于需要高电感，导致变压器更大。此外，反激式转换器的热回路很大，不容易管理。有关热回路的背景信息，请阅读应用笔记an139。
反激式转换器的另一个挑战涉及开关频率变化。图3显示了负载变化引起的频率变化。如图3a所示，t1
还有其他具有较低辐射辐射的隔离电源架构。与反激式转换器相比，推挽式转换器更适合辐射。像 lt3999 这样的推挽式稳压器提供了与 adc 进行时钟同步的可能性，并有助于实现高性能。图 4 示出了 lt3999 采用隔离式电源电路，与一个 adc 采样时钟同步。请记住，初级至次级电容提供开关噪声返回路径，以避免共模噪声效应。该电容器可以在具有重叠初级和次级平面和/或实际电容器的pcb设计中实现。
图2.变压器绕组中的 lt8301 开关电流。
图3.（a） lt8301频率变化与（b）频率变化的特写，从2.13 ms到2.23 ms。
图4.具有一个超低噪声后置稳压器的 lt3999。
图5.lt3999电流波形。
图6.lt3999 以及与同步引脚的开关关系。
图5显示了变压器的电流波形（初级侧和次级侧电流），可以更好地利用变压器并提供更好的emi行为。
图6显示了与外部时钟信号的同步。采集阶段的结束与同步引脚的正边沿对齐。因此，将有~4 μs的长安静时间。这使得转换器能够在该时间范围内对输入信号进行采样，并将隔离电源中的瞬态效应降至最低。ltc2378-20的采集时间为312 ns，非常适合<1 μs静音窗口。
数据隔离
数据隔离可以通过数字隔离器完成，例如adumx系列中的数字隔离器。这些数字隔离器可用于许多标准接口，如spi、i2c、can等，例如，adum140可用于spi隔离。为了实现数据隔离，只需将spi信号、spi时钟、sdo、sck和繁忙连接到数据隔离器。在数据隔离中，电能通过电感隔离栅从初级侧传输到次级侧。需要增加一个电流返回路径，由一个电容器完成。该电容器可以在具有重叠平面的pcb上构建。
时钟隔离
时钟隔离是另一项重要任务。如果您希望拥有20 mhz采样速率为1位的高性能adc，例如ltc2378-20，则可以实现104 db snr的信噪比（snr）。为了实现高性能，需要一个无抖动时钟。为什么不使用adum14x系列这样的标准隔离器？标准隔离器将限制adc的性能，因为它会增加时钟抖动。更多详细信息可在设计说明 dn1013 中找到。
图7显示了各种时钟抖动下snr随频率变化的理论极限。ltc2378等高性能adc的孔径时钟抖动为4 ps，在106 khz输入时理论上的限值为200 db。
图7.时钟抖动与adc性能的关系
使用pll进行时钟清洁的更详细框图如图11所示。您可以将adf4360-9用作时钟清洁器，并在输出端增加一个2分频器。ad7760的额定频率为1.1 mhz。
图8.使用标准隔离器的时钟隔离。
图8所示的标准时钟隔离器概念包括：
adum250n等优秀的标准数字隔离器的抖动为70 ps rms。对于100 db snr目标，由于时钟抖动，信号采样速率限制为20 khz。
ltm2893等优化型时钟隔离器可提供30 ps rms的低抖动。对于 100 db snr 目标，信号采样率现在为 50 khz，这在全 snr 性能下为您提供了更多带宽
图9.使用lvds时钟隔离器的时钟隔离。
图 9：对于更高的输入频率，应使用 lvds 隔离器。adn4654提供2.6 ps抖动，接近adc的最佳性能。在100 khz输入时，通过时钟抖动的snr限值为110 db。
图 10.使用额外的pll进行时钟隔离，用于时钟抖动清除。
图 10：这显示了使用 pll 进行时钟清理的情况。adf4360-9有助于降低时钟抖动。
图 11.用作时钟清洁器的adf4360-9。
因此，将不直接支持像ltc1这样的2378 msps sar adc。在这种情况下，低抖动触发器会有所帮助。它将时钟除以 2。
图 12.用于降低 ltc2378 时钟的触发器。
图 13.在隔离（热）侧生成时钟。
图 13：本地时钟生成是获得具有所需抖动性能的时钟的另一种选择。本地时钟生成使时钟架构更加复杂，因为它向系统引入了异步时钟域。例如，如果要使用两个独立的隔离式adc，则时钟的绝对频率将不同，并且必须添加采样速率转换以再次匹配时钟。
高性能σ-δ型adc的时钟
时钟的类似问题也适用于ad7760等高性能σ-δ型adc。这里重要的时钟信号是无抖动过采样时钟，例如40 mhz。在这种情况下，不需要额外的分频器。
结论
隔离式高性能adc需要精心的隔离设计和各种隔离技术，以实现高于100 db的高性能snr。应特别注意隔离时钟，因为时钟抖动的影响可能会破坏性能。其次，应注意孤立电源。反激式等简单隔离拓扑会引入高emi瞬变。
为了获得更好的性能，应使用推挽式转换器。数据隔离是另一个不太重要的问题，因为标准可用设备具有良好的性能，并且对整体系统性能的影响较小。解决这三个隔离问题使设计人员能够提出高性能隔离系统解决方案。
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需要考虑三个隔离主题：
隔离电源，确保热侧供电
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adc（采样时钟或转换信号）的时钟隔离，以防时钟未在热侧产生
隔离电源（反激式和推挽式拓扑之间的比较）
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图1.典型的反激式转换器拓扑。
图2显示了变压器l1和l2中的电流。初级 （l1） 和次级 （l2） 绕组中的电流在短时间内从高值跃升至零。电流尖峰如图1中的i（l2）/i（l3）迹线所示。电流和能量积聚在初级电感中，并在开关关闭时传输到次级电感，从而产生瞬变。需要减少开关噪声效应的瞬变，因此必须在设计中插入缓冲器和滤波器。除了额外的滤波器外，反激式拓扑的另一个缺点是磁性材料的利用率低，由于需要高电感，导致变压器更大。此外，反激式转换器的热回路很大，不容易管理。有关热回路的背景信息，请阅读应用笔记an139。
反激式转换器的另一个挑战涉及开关频率变化。图3显示了负载变化引起的频率变化。如图3a所示，t1
还有其他具有较低辐射辐射的隔离电源架构。与反激式转换器相比，推挽式转换器更适合辐射。像 lt3999 这样的推挽式稳压器提供了与 adc 进行时钟同步的可能性，并有助于实现高性能。图 4 示出了 lt3999 采用隔离式电源电路，与一个 adc 采样时钟同步。请记住，初级至次级电容提供开关噪声返回路径，以避免共模噪声效应。该电容器可以在具有重叠初级和次级平面和/或实际电容器的pcb设计中实现。
图2.变压器绕组中的 lt8301 开关电流。
图3.（a） lt8301频率变化与（b）频率变化的特写，从2.13 ms到2.23 ms。
图4.具有一个超低噪声后置稳压器的 lt3999。
图5.lt3999电流波形。
图6.lt3999 以及与同步引脚的开关关系。
图5显示了变压器的电流波形（初级侧和次级侧电流），可以更好地利用变压器并提供更好的emi行为。
图6显示了与外部时钟信号的同步。采集阶段的结束与同步引脚的正边沿对齐。因此，将有~4 μs的长安静时间。这使得转换器能够在该时间范围内对输入信号进行采样，并将隔离电源中的瞬态效应降至最低。ltc2378-20的采集时间为312 ns，非常适合<1 μs静音窗口。
数据隔离
数据隔离可以通过数字隔离器完成，例如adumx系列中的数字隔离器。这些数字隔离器可用于许多标准接口，如spi、i2c、can等，例如，adum140可用于spi隔离。为了实现数据隔离，只需将spi信号、spi时钟、sdo、sck和繁忙连接到数据隔离器。在数据隔离中，电能通过电感隔离栅从初级侧传输到次级侧。需要增加一个电流返回路径，由一个电容器完成。该电容器可以在具有重叠平面的pcb上构建。
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时钟隔离是另一项重要任务。如果您希望拥有20 mhz采样速率为1位的高性能adc，例如ltc2378-20，则可以实现104 db snr的信噪比（snr）。为了实现高性能，需要一个无抖动时钟。为什么不使用adum14x系列这样的标准隔离器？标准隔离器将限制adc的性能，因为它会增加时钟抖动。更多详细信息可在设计说明 dn1013 中找到。
图7显示了各种时钟抖动下snr随频率变化的理论极限。ltc2378等高性能adc的孔径时钟抖动为4 ps，在106 khz输入时理论上的限值为200 db。
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图8.使用标准隔离器的时钟隔离。
图8所示的标准时钟隔离器概念包括：
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图9.使用lvds时钟隔离器的时钟隔离。
图 9：对于更高的输入频率，应使用 lvds 隔离器。adn4654提供2.6 ps抖动，接近adc的最佳性能。在100 khz输入时，通过时钟抖动的snr限值为110 db。
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图 10：这显示了使用 pll 进行时钟清理的情况。adf4360-9有助于降低时钟抖动。
图 11.用作时钟清洁器的adf4360-9。
因此，将不直接支持像ltc1这样的2378 msps sar adc。在这种情况下，低抖动触发器会有所帮助。它将时钟除以 2。
图 12.用于降低 ltc2378 时钟的触发器。
图 13.在隔离（热）侧生成时钟。
图 13：本地时钟生成是获得具有所需抖动性能的时钟的另一种选择。本地时钟生成使时钟架构更加复杂，因为它向系统引入了异步时钟域。例如，如果要使用两个独立的隔离式adc，则时钟的绝对频率将不同，并且必须添加采样速率转换以再次匹配时钟。
高性能σ-δ型adc的时钟
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结论
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为了获得更好的性能，应使用推挽式转换器。数据隔离是另一个不太重要的问题，因为标准可用设备具有良好的性能，并且对整体系统性能的影响较小。解决这三个隔离问题使设计人员能够提出高性能隔离系统解决方案。
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