充分理解ADC預充電緩衝器的重要性

作者 : Keith Nicholas,德州儀器(TI)精密ADC應用工程師

新型高性能類比數位轉換器(ADC)設計師的目標之一是放寬對外部輸入放大器和基準的設計要求,他們的通常做法是內建針對類比和基準輸入的整合式緩衝器…

新型高性能類比數位轉換器(ADC)設計師的目標之一是放寬對外部輸入放大器和基準的設計要求,他們通常的做法是內建針對類比和基準輸入的整合式緩衝器。然而,對於高性能ADC而言,在訊號鏈中添加任何元件都會降低整體性能。

設計優先事項包括優選矽製程、電路精心設計以及良好的佈局和IC封裝,以最佳化電壓偏移、增益、訊噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等諸多指標。添加傳統的緩衝器會影響這些指標,而且很多時候,這些緩衝器會成為高性能ADC中的主要誤差源。預充電緩衝器是針對傳統緩衝器的一種替代方案,

如圖1所示,本文將重點介紹預充電緩衝器在類比輸入通道和基準輸入通道中的使用和優勢。

 

圖1:預充電緩衝器如何輔助24位元、400-KSPSADS127L11寬頻delta-sigma ADC。

(來源:德州儀器)

 

降低輸入放大器驅動要求的方法之一是在ADC輸入端使用電荷桶濾波器,其中的差分電容比內建採樣電容要大。這個簡單的電阻電容網路(圖2所示的Rfilt和Cfilt)充當電荷儲存器,用以提供輸入採樣電容(Cin)所需的大部分暫態電流。外部濾波電容Cfilt將峰值輸入電流從相對較高的電流脈衝(幾十mA量級)降低到峰值小於1mA,平均電流僅為數百μA。

 

圖2:典型高電平訊號鏈中採用帶有內建預充電緩衝器的全差分輸入放大器。

(來源:德州儀器)

 

使用大的外部輸入電容除了能降低峰值電流外,還能降低對輸入放大器的高頻寬要求,從而提供更廣泛的放大器選擇。這些額外的放大器選項允許設計師在低功耗、直流性能和許多其他設計標準方面做出更好的最佳化。

然而,使用大型外部輸入電容的一個缺點是它限制了最高輸入訊號頻率。實際上它是一個一階低通電阻電容RC濾波器。另一個缺點是電容阻抗在較高輸入頻率下變得非常低,從而容易導致大電流流過電容。源自輸入放大器的這種大電流會導致系統功耗增加,這對於高密度或電池供電的系統來說非常不利。

許多低功耗精密放大器可能無法在支援大電流的同時保持良好的訊噪比和總諧波失真。對於極低頻輸入訊號或直流輸入訊號來說,使用大輸入濾波電容可能是一種可接受的方法,但對於10kHz或更高的輸入頻率來說,負載電流和由此產生的功耗可能會變得高的無法接受。

預充電緩衝器的設計靈活性

如果採用預充電緩衝器,既可以放寬輸入放大器驅動要求,又不會降低ADC總體精確度。預充電緩衝器是一種專用放大器,在採集週期的前半部分為ADC的內建採樣電容充電,在採集週期的後半部分斷開連接,以實現ADC輸入端和內建採樣電容之間的直接連接。在採集週期的最後階段,將內建採樣電容直接連接到輸入端,這樣就可以從訊號通道中消除預充電緩衝器帶來的任何誤差。預充電緩衝器的使用,可以將外部輸入放大器的整體動態負載降低99%以上。

在與寬頻寬外部輸入放大器結合使用時,預充電緩衝器還有一個好處,就是具有更低的總諧波失真。預充電緩衝器與高速輸入放大器一起使用,可以將總諧波失真改進10dB或更多。同時開啟高速放大器和內建預充電緩衝器,靈活性得到改善。不過帶來的問題是功耗增加了,這就需要在優先考慮低失真還是低功耗之間做出折衷權衡。

預充電緩衝器的主要缺點是,在採集階段的後半程完成對內建採樣電容的充電所需的動態電流很小。然而,這個動態電流還不到直接驅動(不啟用預充電緩衝器)輸入採樣電容所需電流的1%,因此支援使用頻寬窄得多的放大器和更小的輸入濾波電容。

圖2所示的典型高電平訊號鏈中,外部輸入放大器和內建預充電緩衝器為Cin充電,而圖3則突出顯示了使用預充電緩衝器時的時序細節。

 

圖3:粗採樣和精細採樣階段的輸入採樣電容電壓(Vcin)。

(來源:德州儀器)

 

 

AIN-Coarse、AIN -Fine和AIN-Reset是內建開關控制訊號。當控制電平為1時內建開關打開,當控制電平為0時內建開關關閉。觀察內建採樣保持電容兩端的Vcin電壓波形可以發現,預充電緩衝器在AIN-Coarse = 1階段將輸入電容電壓充電至最終目標值的99.9%左右(3.98V)。而在AIN-Fine = 1階段,外部輸入放大器將內建採樣電容充電至最終輸入電壓(4V)。

預充電緩衝器最佳化輸入電流

如前所述,預充電緩衝器降低了驅動輸入所需的平均輸入電流。在推導啟用預充電緩衝器時的平均輸入電流公式之前,先推導出在不用預充電緩衝器而是直接驅動輸入端時的平均輸入電流公式。針對平均輸入電流的公式(1)基於人們熟悉的電容中總電荷公式:

Qin = Cin × Vin       (1)

其中,Qin是Cin上的總電荷,Vin是採集週期結束時採樣電容上的電壓,約等於ADC輸入端的電壓。

由於採樣電容在轉換階段結束時被復位為0V,因此可以用公式(2)表示平均輸入電流:

Iavg = Qin × Fmod     (2)

其中Fmod是調變器取樣速率或ADC輸入端的採樣頻率。

對於ADS127L11,高速模式下,調變器取樣速率等於主時脈頻率Fclk的一半。將公式(3)和公式(4)代入公式(2)就能得到公式(5):

Qin = Cin × Vin       (3)

Fmod = 1/2 × Fclk     (4)

Iavg = 1/2 × Fclk × Cin × Vin    (5)

使用預充電緩衝器時,外部輸入放大器提供的電荷是輸入電容上總電荷的一小部分。在公式(6)、(7)和(8)中,G代表預充電緩衝器的增益,理想值G =1,典型範圍為0.995 < G < 1.005。如果將AIN-coarse階段結束時輸入電容充電達到的電壓表示為Vin-coarse,則預充電緩衝器提供的電荷為:

Qcoarse = Vin-coarse × Cin     (6)

Vin-coarse =G × Vin (7)

將公式(7)代入公式(6)得到公式(8):

Qcoarse = G × Vin × Cin     (8)

由於在採集階段結束時輸入電容上的總電荷為Cin × Vin,因此可以將輸入端子直接提供的電荷表示為Qfine,如公式(9)和(10)所示:

Qtotal = Cin × Vin    (9)

Qtotal = Qcoarse + Qfine     (10)

重整公式(10)得到公式(11):

Qfine = Qtotal – Qcoarse     (11)

將公式(8)和(9)代入公式(11)得到公式(12)和(13):

Qfine = Vin × Cin – G × Vin × Cin     (12)

Qfine = (1-G) × Cin × Vin     (13)

將公式(13)和(4)代入公式(2)得到公式(14),也就是使用預充電輸入緩衝器時的平均輸入電流。

Iavg-precharge = 1/2 × Fclk × (1 – G) × Cin × Vin     (14)

將公式(5)代入公式(14)得到公式(15)。現在可以看到,不用預充電緩衝器的平均輸入電流Iavg現在降低了(1-G)倍,其中G的典型範圍為0.995 < G < 1.005 (對ADS127L11而言):

Iavg-precharge = (1-G) × Iavg     (15)

外部濾波電容Cfilt提供了峰值電流一大部分,但外部輸入放大器也需要提供很大的動態電流。與平均電流的降低非常相似,峰值電流的下降也很顯著。峰值電流的這種降低通常會帶來總失真的降低,這正是使用帶有高速輸入放大器的預充電緩衝器可以提供更好系統性能的原因。

峰值輸入電流受內建AIN-Fine開關電阻Rsw的限制,可使用公式(16)計算得到。對ADS127L11來說,從AINP和AINN端看過去的差分輸入開關電阻典型值為165Ω。在輸入電壓為4V且沒有預充電緩衝器的情況下,每個週期內產生的峰值電流Ipeak接近24mA (公式(17)),這對於大多數精密放大器來說是相當高的,這也是為什麼必須使用輸入濾波器來提供大部分峰值電流的原因。

Ipeak = Vin /Rsw      (16)

Ipeak = 4V/165ῼ = 24mA     (17)

當使用預充電緩衝器時,輸入採樣電容上的電壓值非常接近 AIN-Fine開關閉合時的輸入電壓——在預充電緩衝器的增益誤差範圍內。在G= 0.995的情況下,預充電緩衝器在直接連接ADC輸入端之前,會將輸入電容上的電壓充電至約3.98V,此時得到的峰值輸入電流約為121μA,公式(18)中就利用了這些值,結果如公式(19)和(20)所示。

Ipeak = (Vin – Vcin)/Rsw     (18)

Ipeak = (4V – 3.98V)/165ῼ     (19)

Ipeak = 121μA     (20)

由於平均輸入電流和峰值輸入電流均有所下降,因此預充電緩衝器可以使用頻寬小於10MHz的外部輸入放大器。這就給放大器提供了更多的選擇,使低頻雜訊、寬頻雜訊、偏移電壓和其他指標的最佳化成為可能。

用於基準輸入的預充電緩衝器

ADS127L11還整合了一個基準輸入預充電緩衝器。與輸入預充電緩衝器非常相似,該基準輸入預充電緩衝器亦可降低峰值和平均輸入電流。對該元件來說,如果使用4.096V的典型外部基準電壓,輸入時脈頻率為25.6MHz,並工作在高速模式,那麼沒有預充電緩衝器時的平均輸入電流為778μA,這對大多數基準來說都可以輕鬆驅動。

然而,許多系統使用多個ADC通道,比如8個或更多個通道,此時,總基準電流為8 × 778μA,即6.2mA,這對於精密基準來說就相當高了。

例如,REF6041的最大輸出電流為4mA,此時單個基準是無法驅動8個ADC基準輸入的。REF7025是另一個不錯的選擇,可提供出色的低頻雜訊和極低的長期漂移。儘管REF70系列的最大輸出電流為10mA,但為使用該基準實現最高精準度,輸出電流應控制的盡可能低。

若採用內建基準預充電緩衝器就可以打破上述限制,因為每個ADC的平均輸入電流降至2μA。單個基準即可驅動多個通道(圖4),無需擔心超載,也無需額外的外部放大器,還能夠降低整體電路板尺寸和成本。

 

2

圖4:用一個基準帶動多個內建預充電緩衝器ADC的典型連接圖。

(來源:德州儀器)

 

根據設計中使用的基準和輸入放大器,可能不需要內建預充電緩衝器就能實現預期的系統總體指標。但擁有啟用內建預充電緩衝器的選項,將為外部元件的選擇提供了更大的靈活性,從而為最佳化系統設計提供了更多的工具。

(參考原文:Understanding the benefits of pre-charge buffers in ADCs,by Keith Nicholas)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年2月號

 

 

 

 

 

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