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充分理解ADC驱动器的优点

2022-09-22 14:52:03 Kevin Tretter,Microchip Technology MSLD业务部门资深产品营销经 阅读:
传感器市场的蓬勃发展,导致对包括模拟数字转换器(ADC)在内的模拟讯号调节功能的需求也在持续增加。随着ADC方案的成本变得越来越实惠,其正在向更高分辨率、更高速发展。

随着传感器在包括各种物联网(IoT)应用、工厂自动化和控制、公共卫生和安全、医疗保健和汽车及其扩展领域等各种终端市场中变得越来越丰富,整个传感器市场预计将以超过9%的年复合成长率(CAGR)成长,导致对包括模拟数字转换器(ADC)在内的模拟讯号调节功能的需求也在持续增加。随着ADC解决方案的成本变得越来越实惠,其趋势正在向更高分辨率、更高速度方向发展。ZSiednc

要实现优异的ADC性能,就离不开ADC驱动器。ADC驱动器实际上就是专用放大器,专门设计用来与包括逐次逼近型、流水线型和基于⊿/Σ架构的ADC配套工作。这类专用放大器是使ADC实现最佳性能的关键电路。随着ADC向更高速度、更高分辨率发展,这类放大器变得愈加重要。ZSiednc

ADC输入

在讨论ADC驱动器所需的技术功能之前,简单了解目前ADC的输入架构会很有帮助。差分讯号可以定义为围绕一个固定值(称为共模电平)、具有相等幅度但相位相反的两个讯号。如图1所示,这两个讯号通常被称为同相和反相(或正和负)讯号。ZSiednc

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图1:差分正弦波示意图。(来源:Microchip)ZSiednc

在上述示例中,满量程输入电压差分峰峰值为5V,每边幅摆峰峰值为2.5V,该示例中的共模电平为2.5V。目前大多数高性能ADC都采用差分输入架构,因为与单端输入相比可以提供更优的性能,包括抑制共模噪声和常见干扰讯号的能力,以及6dB (或2倍)的动态范围提升。ZSiednc

ADC设计可能会给系统设计人员带来特别艰巨的挑战,因为它们具有必须在系统级考虑的各种不同的输入采样架构。出于讨论的目的,本文将重点考虑使用开关电容架构来实现输入采样的ADC。这种输入架构最基本的形式是由一个相对较小的电容和一个模拟开关组成,如图2所示。ZSiednc

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图2:用于输入采样的一种简单的开关电容输入架构。(来源:Microchip)ZSiednc

当开关在位置1时,采样电容被充电至采样点电压,本例中为VS;然后将开关翻转到位置2,采样电容上的累积电荷随后被转移到采样电路的其余部分。然后不断重复该过程。ZSiednc

这种形式为无缓冲式开关电容输入,可能会导致严重的系统级问题。将采样电容充电至适当电压所需的电流必须由连接ADC输入的外部电路来提供,当电容切换到采样点(图2中的开关位置1)时,将需要大量电流来为电容充电。这个瞬时电流的大小是采样电容容量、开关切换频率,以及采样点上电压的函数,可由下式表示:ZSiednc

ZSiednc

其中,C是采样电容容量,V是采样点上的电压(在本例中表示为VS),f是采样开关频率。这个开关电流会在采样点上产生很大的电流尖峰,如图2所示。ZSiednc

在设计ADC前面的模拟电路时,必须考虑这种开关电流的影响。输入电流通过任何电阻时都会产生压降,从而导致ADC的采样点处出现电压误差。如果输入节点在下一个采样周期之前没有完全稳定,还会产生失真。ZSiednc

解决方案:ADC驱动器

为充分利用更高分辨率、更高速度的ADC,如何保持传感器讯号完整性将变得极具挑战性。随着ADC分辨率和速度越来越高,感测讯号失真及噪声的影响将变得更加明显。在ADC采样速度较高时,必须确保输入讯号在采样发生之前已经稳定,还要确保尖峰讯号频谱不能混迭到有用讯号带宽内。ZSiednc

为了克服这些讯号调节面临的挑战,许多ADC应用需要一个驱动器来实现足够的稳定性和抗混迭性能。尽管也可以轻松处理差分输入讯号,但ADC驱动器的主要功能之一是提供输入讯号的单端到差分转换,因为如今大多数ADC都采用差分输入架构。ZSiednc

ADC驱动器的另一个功能是对输入讯号进行缓冲,从而将ADC输入点的电荷注入电路与其他电路隔离开来。ADC驱动器提供瞬时充电,以确保采样点在追踪时间内稳定下来,从而最大限度地减少与稳定相关的任何失真。必须注意ADC驱动器和转换器的电路板布局,确保从驱动器输出到ADC输入的迹线电阻最小。ZSiednc

大多数ADC驱动放大器还提供一个引脚,用于共模电压电平的调整。此功能非常适合用来确保生成的差分讯号位于ADC输入电压范围的中间,从而确保动态范围最大化。随着ADC工作电压持续降低,为了确保输入讯号具有最大分辨率,动态范围将变得更加关键。ZSiednc

最后,与大多数放大器类似,ADC驱动器可以对输入讯号进行放大和主动滤波。值得注意的是,大多数ADC驱动器的增益都相对较低,通常为1V/V或2V/V。透过保持放大器的低闭回路增益和回路增益最大化,从而确保失真最低。例如,如果一个放大器的开回路增益为100dB,并且将闭回路增益设计为200或46dB,则只剩下54dB的开回路增益裕度来确保线性度,或约为500分之一。而通常为了最大限度地提高讯噪比,会在靠近讯号源的位置设计单独的高增益放大电路。ZSiednc

结论

随着传感器在各种终端市场中的普及,人们对讯号调节电路的关注度越来越高,而随着高分辨率和高速ADC成本的不断降低,实现这种性能改进变得更具挑战性。为了实现最佳的数据转换性能,本文讨论的这类ADC驱动器至关重要,它可将源讯号带来的失真、噪声和稳定时间误差减小到忽略不计,从而实现最佳的系统性能。ZSiednc

参考原文:Understanding analog-to-digital converter (ADC) drivers,本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志20229月号ZSiednc

责编:Demi
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