如何充分理解ADC驱动器的优点-电子工程专辑

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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⊿/∑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。

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%的年度复合增长率增长。导致对包括模数转换器(ADC)在内的模拟信号调节功能的需求也在持续增长。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。

ADC输入

在讨论ADC驱动器所需的技术功能之前，简单了解一下目前ADC的输入架构会很有帮助。差分信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信号。如图1所示，这两个信号通常被称为同相和反相(或正和负)信号。

图1：差分正弦波示意图。本文资料来源：Microchip

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信号的能力以及6dB(或2倍)的动态范围提升。

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。

图2：用于输入采样的一种简单的开关电容输入架构。

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V_S；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。

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，将需要大量电流来给电容充电。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：

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V_S)，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。

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。

解决方案：ADC驱动器

为充分利用更高分辨率、更高速度的ADC，如何保持传感器信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，传感信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，必须确保输入信号在采样发生之前已经稳定，还要确保尖峰信号频谱不能混叠到有用信号带宽内。

为了克服这些信号调节面临的挑战，许多ADC应用需要一个驱动器来实现足够的稳定性和抗混叠性能。尽管也可以轻松处理差分输入信号，但ADC驱动器的主要功能之一是提供输入信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。

ADC驱动器的另一个功能是对输入信号进行缓冲，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，以确保采样点在跟踪时间内稳定下来，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。

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信号位于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，为了确保输入信号具有最大分辨率，动态范围将变得更加关键。

最后，与大多数放大器类似，ADC驱动器可以对输入信号进行放大和有源滤波。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。通过保持放大器的低闭环增益和环路增益最大化，从而确保失真最低。例如，如果一个放大器的开环增益为100dB，并且将闭环增益设计为200或46dB，则只剩下54dB的开环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信噪比，会在靠近信号源的位置设计单独的高增益放大电路。