如何利用輸入高阻態(tài)技術(shù)降低解決方案功耗和尺寸

作者：Sanjay Rajasekhar and Arvind Shankar

多路復(fù)用（多路復(fù)用）逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）應(yīng)用具有尺寸和功率限制，通常由每通道模擬信號鏈設(shè)計選擇決定。本文介紹了為什么配備模擬輸入高阻態(tài)（高阻抗）技術(shù)的多路復(fù)用SAR ADC是大幅減小解決方案尺寸和功耗而又不影響性能和精度的關(guān)鍵。

介紹

多路復(fù)用SAR ADC通常用于需要持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)中多個關(guān)鍵變量的應(yīng)用。在光通信應(yīng)用中，激光偏置可以通過光功率測量進(jìn)行監(jiān)測，而在VSM應(yīng)用中可以監(jiān)測來自電極的EEG/ECG信號。這些多路復(fù)用應(yīng)用程序有一些共同的要求：

有許多頻道需要監(jiān)控。通常，ADC通過所有通道進(jìn)行排序。

通道電壓通常彼此不相關(guān)。

系統(tǒng)級尺寸和功耗存在嚴(yán)格的限制。

由于這些要求，出現(xiàn)了一些挑戰(zhàn)。當(dāng)ADC在一個通道上完成轉(zhuǎn)換時，ADC內(nèi)的采樣電容充電至通道電壓。如果采樣電容上的該電壓與順序上的下一個通道電壓大不相同，則必須設(shè)計信號鏈，以便在允許的采集時間內(nèi)將采樣電容精確地建立到新電壓。傳統(tǒng)上，這個問題的解決方案是使用寬帶驅(qū)動放大器和RC濾波器。典型信號鏈如圖1所示。

圖1.具有傳統(tǒng)多路復(fù)用SAR ADC的信號鏈。

傳感器可以輸出電壓或電流，傳感器接口電路可以分別是儀表放大器或跨阻放大器。電容器通常為NP0/C0G類型，因為其他類型的電容器會導(dǎo)致明顯的失真。NP0電容器具有高線性度但低密度。選擇NP0電容的值也比ADC內(nèi)部采樣電容大得多。它執(zhí)行兩個關(guān)鍵功能：

減少ADC采樣電容的反沖

通過濾除超出所需建立帶寬的噪聲來降低信號鏈的寬帶噪聲

在傳統(tǒng)的信號鏈中，人們被迫使用一個驅(qū)動放大器和一個大電容。每個驅(qū)動器放大器的功耗可能在十分之一mA到幾mA之間。每個電容器（包括間隙）可能占用約 1 mm2的電路板區(qū)域。在許多通道上復(fù)制該信號鏈會對系統(tǒng)尺寸和功耗產(chǎn)生顯著不利影響。這是當(dāng)今多路復(fù)用SAR ADC應(yīng)用的主要問題之一。

什么是輸入高阻技術(shù)？

在模擬輸入的上下文中，術(shù)語高阻態(tài)技術(shù)是指在不消耗靜態(tài)或連續(xù)功率的情況下大幅增加ADC的有效輸入阻抗的電路技術(shù)的集合。這使得ADC的輸入易于驅(qū)動。

假設(shè)多路復(fù)用ADC在通道N – 1上轉(zhuǎn)換，下一個要轉(zhuǎn)換的通道是通道N。

在轉(zhuǎn)換啟動（CNV）的上升沿，對通道電壓進(jìn)行采樣。在圖2中，CNV的第一個上升沿對通道N – 1上的電壓進(jìn)行采樣。然后，ADC轉(zhuǎn)換通道N – 1上的采樣電壓。轉(zhuǎn)換后，禁用輸入高阻態(tài)，ADC繼續(xù)采集序列中的下一個通道，即通道N。通道N上的電壓通常與通道N – 1上的電壓有很大不同，ADC電容現(xiàn)在充電到通道N-1。這會導(dǎo)致通道N（深藍(lán)色虛線）上的電壓產(chǎn)生巨大的沖擊，并在采樣時刻（CNV的第二上升沿）引入較大的通道電壓誤差。這就需要一個大的外部電容器來吸收沖擊力，需要一個驅(qū)動放大器來提供必要的電荷。

圖2.高阻態(tài)使能和禁用時AD4696的相位。

當(dāng)輸入高阻態(tài)使能時，ADC的內(nèi)部采樣電容在開始實際采集之前充電至其將要采集的通道上的當(dāng)前電壓。在通道N – 1上轉(zhuǎn)換后，立即引入一個高阻態(tài)相位，將ADC采樣電容精確充電至通道N上的當(dāng)前電壓。這意味著，當(dāng)ADC采樣電容連接到外部輸入時，它不會產(chǎn)生任何電荷，也不會產(chǎn)生任何反沖。在實踐中，由于內(nèi)部開關(guān)的電荷注入（第一次充電踢），通常會有很小的殘余誤差。這種小的殘余誤差導(dǎo)致通道N采樣時刻的建立誤差幾乎可以忽略不計。啟用高阻態(tài)時的這種電荷誤差將極大地改善系統(tǒng)的穩(wěn)定動態(tài)。

當(dāng)通道N上的采樣完成后，ADC必須繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，內(nèi)部開關(guān)將ADC采樣電容與外部輸入斷開。這會導(dǎo)致由于開關(guān)開路電荷注入而導(dǎo)致第二次充電踢。通常，第二次電荷踢有更長的建立時間，因此第一次電荷踢的大小決定了通道上的建立誤差。因此，必須將第一次電荷踢的大小降至最低。

輸入高阻態(tài)技術(shù)作為EasyDrive的一部分集成到AD4696（最新一代多路復(fù)用SAR ADC）中?功能集。因此，AD4696在通道上開始采集非常順利。它免除了為每個通道增設(shè)反沖吸收電容器和驅(qū)動放大器的需要。這大大降低了系統(tǒng)尺寸和功耗，并顯著簡化了信號鏈，如圖3所示。

圖3.采用AD4696多路復(fù)用SAR ADC的信號鏈。

AD4696系列采用輸入高阻態(tài)的一個重要優(yōu)勢是，執(zhí)行高阻態(tài)功能的電路都可以以轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行上電循環(huán)。因此，高阻態(tài)函數(shù)的功耗與ADC的吞吐速率成線性關(guān)系，就像核心SAR ADC本身一樣。與傳統(tǒng)的、相當(dāng)剛性的信號鏈設(shè)計相比，這提供了極大的靈活性。

輸入高阻態(tài)功能也內(nèi)置于LTspice模型?的AD4696。對第一次和第二次電荷踢進(jìn)行精確建模，從而能夠可靠地仿真信號鏈設(shè)計的穩(wěn)定偽影。

一些微妙之處

回想一下，NP0電容還為信號鏈提供寬帶噪聲濾波?，F(xiàn)在我們想消除電容器，我們必須找到其他方法來過濾噪聲。實現(xiàn)相同有效信號鏈噪聲帶寬的一種簡單方法是增加外部串聯(lián)電阻。AD4696內(nèi)置一個60 pF內(nèi)部電容和一個240 Ω典型內(nèi)部電容串聯(lián)。通過設(shè)置外部電阻，我們可以將信號鏈噪聲帶寬調(diào)諧到所需值。

如果沒有NP0電容，外部電阻在信號鏈的噪聲性能、線性度和精度方面起著重要作用。小值電阻有助于快速建立采樣電荷，從而提高線性度和精度，但代價是有效噪聲帶寬更高，導(dǎo)致總噪聲增加。相反，大阻值電阻可以更好地濾除噪聲，但代價是線性度和精度下降。

如下一節(jié)所述，AD4696中高阻態(tài)技術(shù)的一大優(yōu)勢是，它允許使用大阻值電阻（以獲得更好的噪聲濾波），而不會降低線性度和精度。這樣可以優(yōu)化信號鏈中的所有參數(shù)——噪聲、線性度、精度、功耗和解決方案尺寸。

測量結(jié)果

測量采用2 kΩ外部電阻，無需任何NP0電容。結(jié)果表明，啟用模擬輸入高阻時，交流和直流性能顯著提高。該實驗涉及AD4696內(nèi)核ADC以1 MSPS運行，但選擇越來越多的通道作為循環(huán)序列的一部分。數(shù)據(jù)在一個通道上收集，而序列中的其他通道則提供0 V輸入。

圖4顯示了1 kHz、–1 dBFS音調(diào)下目標(biāo)通道的失真性能。當(dāng)通道在禁用高阻態(tài)的情況下排序時，由于采樣電容未充電至后續(xù)通道電壓，因此會出現(xiàn)非線性建立誤差。這會導(dǎo)致明顯的失真。啟用高阻態(tài)后，失真性能有了很大的改善。

圖4.THD 與序列中的通道數(shù)的關(guān)系。測試音：1 kHz，–1 dBFS。

圖5顯示了帶和不帶高阻態(tài)功能的直流穩(wěn)態(tài)建立誤差。在該測試中，目標(biāo)通道提供接近滿量程的輸入，序列中的其他通道以0 V驅(qū)動。 在目標(biāo)通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換，同時向序列添加越來越多的通道，并繪制平均輸出代碼與預(yù)期代碼的偏移。

圖5.16位電平LSB中的直流建立誤差。

當(dāng)內(nèi)核ADC以低于1 MSPS的吞吐量運行時，用戶可能需要進(jìn)一步降低有效信號鏈噪聲帶寬，以限制模擬前端噪聲混疊。這將需要更高的電阻值，而高阻態(tài)功能極大地有助于在這些條件下保持性能。

結(jié)論

AD4696系列器件采用的輸入高阻態(tài)技術(shù)為多路復(fù)用SAR應(yīng)用提供了無與倫比的優(yōu)勢，例如降低系統(tǒng)級功耗、減小尺寸和減少元件數(shù)量等，同時保持高水平的交流性能和直流精度。它免除了每個通道對專用驅(qū)動器放大器和反沖吸收電容器的需求。高阻態(tài)功能本身的功耗與ADC的吞吐速率成比例，為系統(tǒng)級設(shè)計提供了出色的靈活性和多功能性。AD4696的LTspice模型可用于仿真用戶希望設(shè)計的任何系統(tǒng)中的電荷踢效應(yīng)。

審核編輯：郭婷