是否需要使用無(wú)緩沖型ADC？如何設(shè)計(jì)無(wú)緩沖式ADC呢？

如今，高速(ADC)的種類(lèi)和廠商眾多，要選擇一款合適的產(chǎn)品可能并非易事?？s小范圍之后，最終的抉擇往往是選取緩沖型還是無(wú)緩沖型(開(kāi)關(guān)電容)轉(zhuǎn)換器。因?yàn)槭艹叽绾凸牡挠绊?，通常傾向于無(wú)緩沖型。那么如何設(shè)計(jì)無(wú)緩沖式ADC呢？

是否需要使用無(wú)緩沖型ADC?

綬沖型與無(wú)緩沖型ADC之間存在很大差異。緩沖型的優(yōu)點(diǎn)比較直觀，緩沖器帶來(lái)的這些好處可以在一定程度上簡(jiǎn)化模擬接口設(shè)計(jì) ，并日支持更高的輸入帶寬。然而，緩沖器的缺點(diǎn)也是存在的，盡管不太明顯。緩沖器通常需要較高的電源電壓，這會(huì)帶來(lái)額外的電源設(shè)計(jì)問(wèn)題。ADC的噪聲和線性度也會(huì)受到影響。因此在電源方面，整體ADC設(shè)計(jì)大受影響。

在系統(tǒng)層次上，多數(shù)高速ADC的輸入來(lái)用放大器驅(qū)動(dòng)。因此，在常見(jiàn)的信號(hào)鏈應(yīng)用中 ，緩沖器的電源有點(diǎn)多余。如果模擬接口電路和放大器設(shè)買(mǎi)為直接驅(qū)動(dòng)采樣網(wǎng)絡(luò)，而不使用緩沖器，則整個(gè)系統(tǒng)可以得到更好的優(yōu)化。

去掉緩沖器是多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的選擇，這樣可以額外節(jié)省功耗。

如何設(shè)計(jì)無(wú)緩沖ADC？

一、挑戰(zhàn)

放大器級(jí)的設(shè)計(jì)由兩個(gè)彼此相關(guān)的不同級(jí)組成，因此問(wèn)題變得難以在數(shù)學(xué)上建模，特別是因?yàn)橛蟹蔷€性因素與這兩級(jí)相關(guān)。第一步是選擇用來(lái)緩沖傳感器輸出并驅(qū)動(dòng)ADC輸入的放大器。第二步是設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器以降低輸入帶寬，從而最大限度地減少帶外噪聲。

理想的放大器是提供剛剛好的帶寬以正確緩沖傳感器或變送器產(chǎn)生的信號(hào)，而不會(huì)增加額外噪聲，并且功耗為零，但實(shí)際放大器與此相距甚遠(yuǎn)。在大多數(shù)情況下，放大器規(guī)格將決定整體系統(tǒng)性能，尤其是在噪聲、失真和功耗方面。為了更好地弄清楚問(wèn)題，第一步是了解離散時(shí)間ADC的工作原理。

離散時(shí)間ADC獲得連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)的樣本，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。當(dāng)信號(hào)被采樣時(shí)，根據(jù)模擬轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型，同一固有問(wèn)題有兩種不同的情況：

SARADC集成一個(gè)采樣保持器，其基本上由一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容組成，作用是保持模擬信號(hào)直到轉(zhuǎn)換完成。

離散時(shí)間∑-ADC或過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似的輸入級(jí)，即具有一定內(nèi)部電容的輸入開(kāi)關(guān)?！?ADC的采樣機(jī)制略有不同，但采樣輸入架構(gòu)類(lèi)似，使用開(kāi)關(guān)和電容來(lái)保持模擬輸入信號(hào)的副本。

在這兩種情況下，開(kāi)關(guān)都是用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，閉合時(shí)電阻為非零值，通常為幾歐姆。此串聯(lián)電阻與采樣電容(pF級(jí))的組合，意味著ADC輸入帶寬常常非常大，在許多情況下要遠(yuǎn)大于ADC采樣頻率。

二、帶寬問(wèn)題

對(duì)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)帶寬是一個(gè)問(wèn)題。在采樣理論中，我們知道高于奈奎斯特頻率(ADC采樣頻率的一半)的頻率信號(hào)應(yīng)被移除，否則這些頻率信號(hào)將在目標(biāo)頻帶中產(chǎn)生鏡像或混疊。通常，噪聲頻譜中有相當(dāng)一部分功率存在于ADC奈奎斯特頻率以上的頻帶中。如果不處理這種噪聲，它將混疊到奈奎斯特頻率以下，增加本底噪聲，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍明顯降低。

ADC輸入信號(hào)帶寬，以及緩沖器輸出帶寬，是第一個(gè)要解決的問(wèn)題。為確保噪聲不會(huì)向下混疊，必須限制ADC輸入信號(hào)的帶寬。這不是一個(gè)小問(wèn)題。

通常，放大器的選擇是基于大信號(hào)帶寬(即壓擺率)和增益帶寬積的規(guī)格，以便應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)的極端情況，這決定了ADC可以跟蹤的最快變化的信號(hào)。

然而，放大器的有效噪聲帶寬等于小信號(hào)帶寬(通常針對(duì)小于10mVp-p的信號(hào)而考慮)，這常常比大信號(hào)帶寬高出至少四到五倍。

換句話說(shuō)，如果大信號(hào)規(guī)格是針對(duì)500kHz而選擇，那么小信號(hào)帶寬很容易就能達(dá)到2MHz或3MHz，這可能會(huì)導(dǎo)致ADC采集到大量噪聲。因此，在將模擬信號(hào)輸入ADC之前，應(yīng)在外部限制小信號(hào)帶寬，否則測(cè)得的噪聲將是ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格的三到四倍。

但是，這還沒(méi)完。ADC內(nèi)部開(kāi)關(guān)電阻和電容定義了模擬輸入帶寬，但由于輸入信號(hào)的變化，會(huì)產(chǎn)生時(shí)域充放電循環(huán)。每次開(kāi)關(guān)(連接到采樣ADC電容的外部電路)閉合時(shí)，內(nèi)部電容電壓可能與先前儲(chǔ)存在采樣電容上的電壓不同。

三、何為反沖問(wèn)題?如何解決？

下面是一個(gè)經(jīng)典的模擬問(wèn)題：“若有兩個(gè)并聯(lián)電容連接到一個(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，一個(gè)電容儲(chǔ)存了一些能量，那么當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，兩個(gè)電容會(huì)發(fā)生什么?”

答案取決于充電電容儲(chǔ)存的能量和電容之間的比率。例如，如果兩個(gè)電容具有相同的值，則能量將在它們之間均分，電容端子間測(cè)得的電壓將減半。

這就是反沖問(wèn)題。一些ADC會(huì)執(zhí)行內(nèi)部校準(zhǔn)以補(bǔ)償內(nèi)部誤差，這稱為自穩(wěn)零校準(zhǔn)。這些程序會(huì)使采樣電容電壓接近供電軌或另一電壓，例如基準(zhǔn)電壓的一半。

為了最大限度地解決這個(gè)問(wèn)題，放大器輸出應(yīng)通過(guò)低通濾波器的串聯(lián)電阻與外部電容隔離。電阻應(yīng)足夠大，以保證緩沖器不會(huì)看到虛部阻抗，但又足夠小，以滿足所需的輸入系統(tǒng)帶寬，并使緩沖器流出的電流在電阻上引起的IR壓降最小(放大器可能無(wú)法足夠快地使這種電壓降穩(wěn)定下來(lái))。同時(shí)，電阻應(yīng)支持外部電容減小到足夠小的值，以最小化反沖而不影響建立時(shí)間。