簡要概述ADC驅(qū)動器 如何充分利用ADC

隨著傳感器在各種終端市場中變得越來越豐富，對包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 在內(nèi)的模擬信號調(diào)理的需求持續(xù)增長。整個傳感器市場預(yù)計將以超過 9% 的年復(fù)合增長率增長。終端市場包括各種物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用、工廠自動化和控制、公共衛(wèi)生和安全、醫(yī)療保健和汽車領(lǐng)域的擴展。對于 ADC，市場趨勢是向更高分辨率、更高速度的設(shè)備發(fā)展，因為此類解決方案的成本變得更實惠。

顧名思義，ADC 驅(qū)動器是專門設(shè)計用于與 ADC 一起工作的專用放大器，包括逐次逼近、流水線和基于 delta-sigma 的架構(gòu)。這些專用放大器是使 ADC 充分發(fā)揮功能的關(guān)鍵電路組件，并且隨著更高速、更高分辨率轉(zhuǎn)換器的擴展而變得更加重要。

了解 ADC 輸入

在討論 ADC 驅(qū)動器所需的技術(shù)功能之前，簡要概述當(dāng)今 ADC 的輸入架構(gòu)會很有幫助。差分信號可以定義為兩個節(jié)點在一個固定點附近具有相等但相反的信號，稱為共模電平。如圖 1所示，這兩個信號節(jié)點通常被稱為正和負(fù)——或同相和反相。

圖 1這是差分正弦波的樣子。資料來源：微芯片

在上述示例中，滿量程輸入電壓為 5 V 峰峰值差分，每條腿擺幅為 2.5 V 峰峰值。此示例中的共模電平為 2.5 V。當(dāng)今大多數(shù)高性能 ADC 都采用差分輸入架構(gòu)，因為它提供了優(yōu)于單端輸入的性能。這些性能優(yōu)勢包括抑制共模噪聲和常見干擾信號的能力以及 6 dB（或 2 倍）的動態(tài)范圍增加。

ADC 可能會給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來特別艱巨的挑戰(zhàn)，因為它提供了必須在系統(tǒng)級考慮的各種不同的輸入采樣架構(gòu)。出于本次討論的目的，重點將放在使用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)來完成輸入采樣的 ADC 上。這種輸入結(jié)構(gòu)最基本的形式是由一個相對較小的電容和一個模擬開關(guān)組成，如圖 2所示。

圖 2一個簡單的開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)用于輸入采樣。資料來源：微芯片

當(dāng)開關(guān)配置在位置 1 時，采樣電容器被充電到采樣節(jié)點的電壓，在這種情況下為 V S。然后開關(guān)翻轉(zhuǎn)到位置 2，采樣電容器上的累積電荷隨后被轉(zhuǎn)移到采樣電路的其余部分。然后該過程重新開始。

無緩沖的開關(guān)電容輸入，如上文所述，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)級問題。將采樣電容器充電至適當(dāng)電壓所需的電流必須由連接到 ADC 輸入的外部電路提供。當(dāng)電容器切換到采樣節(jié)點（圖 2 中的開關(guān)位置 1）時，將需要大量電流來開始對電容器充電。該瞬時電流的大小是采樣電容器的大小、電容器切換的頻率以及采樣節(jié)點上的電壓的函數(shù)。這個開關(guān)電流可以用下面的公式來描述：

其中C是采樣電容器的電容，V是采樣節(jié)點上的電壓（在本示例中表示為 V S），f是采樣開關(guān)打開和關(guān)閉的頻率。如圖 2 所示，此開關(guān)電流會在采樣節(jié)點上產(chǎn)生高電流尖峰。

在設(shè)計 ADC 前面的模擬電路時，必須考慮這種開關(guān)電流的影響。當(dāng)輸入電流通過任何電阻時，都會出現(xiàn)電壓降，從而導(dǎo)致 ADC 的采樣節(jié)點出現(xiàn)電壓誤差。如果輸入節(jié)點在下一個采樣周期之前沒有完全穩(wěn)定，也會發(fā)生失真。

解決方案：ADC 驅(qū)動程序

保持所需的傳感器信號完整性以充分利用這些更高分辨率、更高速度的 ADC 變得非常具有挑戰(zhàn)性。隨著 ADC 的分辨率和速度增加，傳感器信號的噪聲和失真影響變得更加明顯。在更高的 ADC 采樣速度下，必須注意確保輸入信號在采樣事件之前已經(jīng)穩(wěn)定，并且更高帶寬的信號不會混疊回感興趣的信號帶寬。

為了克服這些信號調(diào)節(jié)挑戰(zhàn)，許多 ADC 應(yīng)用需要一個 ADC 驅(qū)動器，以提供足夠的穩(wěn)定和抗混疊。如上所述，大多數(shù)現(xiàn)代 ADC 都采用差分輸入架構(gòu)。ADC 驅(qū)動器的主要功能之一是提供輸入信號的單端到差分轉(zhuǎn)換，盡管它們也可以輕松處理差分輸入信號。

ADC 驅(qū)動器的另一個功能是緩沖輸入信號，從而將其余電路與 ADC 輸入節(jié)點上的電荷注入隔離開來。ADC 驅(qū)動器提供瞬時充電，以確保采樣節(jié)點在跟蹤時間內(nèi)穩(wěn)定，從而最大限度地減少與穩(wěn)定相關(guān)的任何失真。必須注意 ADC 驅(qū)動器和轉(zhuǎn)換器的板級布局，以確保從驅(qū)動器輸出到 ADC 輸入的走線電阻最小。

大多數(shù) ADC 驅(qū)動放大器還提供一個硬件引腳，使用戶能夠?qū)材ｋ妷哼M行電平轉(zhuǎn)換。此功能非常適合確保生成的差分信號位于 ADC 的輸入電壓范圍內(nèi)，從而最大化動態(tài)范圍。隨著工作電壓繼續(xù)趨于降低，動態(tài)范圍對于確保輸入信號的全分辨率變得更加關(guān)鍵。

最后，與大多數(shù)放大器組件類似，ADC 驅(qū)動器可以提供輸入信號的放大以及有源濾波。應(yīng)該注意的是，大多數(shù) ADC 驅(qū)動器的增益都相對較低，通常只有 1 或 2 V/V 的增益。通過保持放大器的低閉環(huán)增益，可以最大化環(huán)路增益，從而實現(xiàn)最低失真。例如，如果一個放大器的開環(huán)增益為 100 dB，并且配置為 200 或 46 dB 的閉環(huán)增益，則只留下 54 dB 的開環(huán)增益裕度來確保線性度，或者大約是其中的一部分在 500 中。因此，通常在靠近信號源的位置設(shè)置一個單獨的增益級，以最大限度地提高信噪比。

充分利用 ADC

傳感器在各種終端市場中的普及使人們更加關(guān)注信號調(diào)理電路。隨著高分辨率和高速 ADC 的成本不斷降低，實現(xiàn)這種性能改進變得更具挑戰(zhàn)性。

為了充分利用您的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，ADC 驅(qū)動器對于優(yōu)化性能至關(guān)重要，同時為源信號添加可忽略不計的失真、噪聲和建立時間誤差。MCP6D11差分驅(qū)動器等專用器件專為最大限度提高高速、高分辨率 ADC 的性能而設(shè)計。

Kevin Tretter 是 Microchip Technology Inc. MSLD 業(yè)務(wù)部門的高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理。