了解模數(shù)（ADC）驅(qū)動器的功能

什么是模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器，為什么需要它？

顧名思義，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）驅(qū)動器是專門設(shè)計用于與ADC配合使用的專用放大器，包括逐次逼近、流水線和基于Δ-Σ的架構(gòu)。這些專用放大器是使ADC能夠全性能工作的關(guān)鍵電路元件，將在下一節(jié)中探討。隨著傳感器在各種終端市場中變得越來越豐富，對模擬信號調(diào)理（包括ADC）的需求持續(xù)增長。這些終端市場包括：

通信

醫(yī)療

消費(fèi)者

工業(yè)

汽車

對于ADC，市場趨勢是更高分辨率和更高速的器件，因為此類解決方案的成本變得更加實惠。

了解 ADC 輸入

在討論ADC驅(qū)動器所需的技術(shù)功能之前，需要簡要概述當(dāng)今ADC的輸入架構(gòu)。差分信號可以定義為兩個節(jié)點(diǎn)，它們在一個固定點(diǎn)（共模電平）周圍具有相等但相反的信號。兩個信號節(jié)點(diǎn)通常稱為正負(fù)（同相和反相），如圖1所示。

在上例中，滿量程輸入電壓峰峰值差分為5V，每個橋臂峰峰值擺動2.5V。本例中的共模電平為2.5V。當(dāng)今大多數(shù)高性能ADC都采用差分輸入架構(gòu)，因為它提供了卓越的性能（相對于單端輸入）。這些性能優(yōu)勢包括能夠抑制共模噪聲和共模干擾信號，以及動態(tài)范圍增加6 dB（或2倍）。

ADC可能會給系統(tǒng)設(shè)計人員帶來特別困難的挑戰(zhàn)，因為ADC提供了必須在系統(tǒng)級考慮的各種不同輸入采樣架構(gòu)。出于本討論的目的，重點(diǎn)將放在使用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)完成輸入采樣的ADC上。在最基本的形式中，這種輸入結(jié)構(gòu)由一個相對較小的電容和一個模擬開關(guān)組成，如下圖2所示。

當(dāng)開關(guān)配置在位置1時，采樣電容充電至采樣節(jié)點(diǎn)的電壓，在本例中為VS。然后將開關(guān)翻轉(zhuǎn)到位置2，然后采樣電容上的累積電荷轉(zhuǎn)移到采樣電路的其余部分。然后，該過程重新開始。

如上所述，無緩沖開關(guān)電容輸入可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)級問題。將采樣電容充電至適當(dāng)電壓所需的電流必須由連接到ADC輸入端的外部電路提供。當(dāng)電容器切換到采樣節(jié)點(diǎn)（圖1中的開關(guān)位置2）時，需要大量電流才能開始為電容器充電。該瞬時電流的大小是采樣電容大小、電容開關(guān)頻率以及采樣節(jié)點(diǎn)上電壓的函數(shù)。該開關(guān)電流可以用以下公式描述：

在上面的示例中，C是采樣電容的電容，V是采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓（在本例中表示為VS），f是采樣開關(guān)打開和關(guān)閉的頻率。該開關(guān)電流導(dǎo)致采樣節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)高電流尖峰，如圖2所示。

在設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器前面的模擬電路時，必須考慮該開關(guān)電流的影響。當(dāng)該電流通過任何電阻時，將發(fā)生壓降，導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器采樣節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓誤差。如果輸入節(jié)點(diǎn)在下一個采樣周期之前未完全建立，也可能發(fā)生失真。

解決方案：ADC 驅(qū)動器

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、更高速的ADC變得非常具有挑戰(zhàn)性。隨著ADC分辨率和速度的提高，傳感器信號的噪聲和失真的影響變得更加明顯。在較高的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目標(biāo)信號帶寬。

為了克服這些信號調(diào)理挑戰(zhàn)，許多ADC應(yīng)用需要一個能夠提供足夠建立和抗混疊的ADC驅(qū)動器。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至差分轉(zhuǎn)換。

ADC驅(qū)動器的另一個功能是緩沖輸入信號，從而將電路的其余部分與ADC輸入節(jié)點(diǎn)上的電荷注入隔離開來。ADC驅(qū)動器提供瞬時電荷，以確保采樣節(jié)點(diǎn)在跟蹤時間內(nèi)建立，從而最大限度地減少與建立相關(guān)的任何失真。

大多數(shù)ADC驅(qū)動器放大器還提供硬件引腳，使用戶能夠?qū)材ｋ妷哼M(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該特性非常適合確保產(chǎn)生的差分信號以ADC的輸入電壓范圍為中心，從而最大化動態(tài)范圍。

最后，與大多數(shù)放大器元件類似，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)動器的額定增益相對較低，通常增益僅為1或2 V/V。通過保持放大器的閉環(huán)增益較低，環(huán)路增益最大化，從而獲得最低失真。例如，如果放大器的開環(huán)增益為100 dB，而閉環(huán)增益配置為200或46 dB，則只有54 dB的開環(huán)增益裕量來確保線性度，或大約是500分之一。因此，通常有一個單獨(dú)的增益級位于信號源附近。

為了充分利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，ADC驅(qū)動器必須優(yōu)化性能，同時為源信號增加可忽略不計的失真、噪聲和建立時間誤差。MCP6D11差分驅(qū)動器專為最大限度地提高高速ADC的性能而設(shè)計，例如MCP33131，這是一款16位、1MSPS SAR ADC。

審核編輯：郭婷