採用外部類比驅動器提升ADC性能

作者 : Don Dingee,Planet Analog

在之前有關離散訊號的文章中,筆者曾提出一個問題:使用類比數位轉換器(ADC)是否很簡單,只需將感測器輸出連接到其類比輸入,然後開始讀數就可以了呢?

在之前有關離散訊號的文章中,筆者曾提出一個問題:使用類比數位轉換器(ADC)是否很簡單,只需將感測器輸出連接到其類比輸入,然後開始讀數就可以了呢?如果ADC讀數失控,什麼原因?精明的讀者肯定會發現我只提出了這個問題的部分答案:即接地通常是罪魁禍首。然而,它並不是唯一的問題根源。

驅動類比輸入也需要引起工程師的注意。通常三種情況下需要使用外部類比驅動器來輔助ADC,這三種情況是:訊號較小、訊號比較嘈雜和高速訊號。

採用盡可能大的範圍

許多類比感測器從最小讀數到最大讀數之間的電壓擺幅都非常小。而且,理論擺幅與操作期間看到的實際擺幅也可能存在較大的差異。我們知道工程師們總喜歡依照最壞情況進行設計。但不利用外部驅動器適當縮放訊號的情況下,而直接使用ADC,則是一個壞習慣。

舉個簡單的例子,家用溫度計的讀數範圍從35℃ (體溫過低)41℃ (高燒),它可能僅僅利用了裝置中感測器的一部分測量能力。再例如加速度計,當只需要±6g時,±30g那部分根本就用不到。

當讀數僅佔能力範圍的一小部分時會怎樣?想想看。如果較高的8位元在ADC操作期間從未改變,那麼恭喜你,已經將一個12位元轉換器變成了一個4位元轉換器。降低解析度,訊號中的細微差別就會消失。

因此,工程師設計感測器系統的過程可分為三步驟:

  • 選擇一個範圍足夠的感測器,並為正常操作期間預期的擺幅留出一些餘量;
  • 如果需要考慮濾除中位元毛刺,則放大並移動感測器訊號,並採用ADC輸入範圍的一半;
  • 選擇具有適當解析度的ADC,以便在這一半範圍內將讀數間隔開。

處理1位元甚至更高的雜訊外部放大還有另一個作用。類比訊號越強,越能抵抗雜訊干擾,而且透過對ADC讀數進行數位平均,還有助於消除白色雜訊。對於一個單端類比子系統而言,只需1位元的提升,就能將訊噪比(SNR)提高到足以讓系統獲得良好的性能。

很多地方都曾談到單端輸入訊號與差分輸入訊號的概念。單端法僅使用一根導線來承載類比訊號,其返回路徑依賴系統的接地;而差分法則使用兩根導線,一正一負,呈現的是與系統接地無關的電壓差。透過在兩條導線上同時抵消雜訊的影響,雙絞線有助於使差分訊號保持純淨。

 

圖1:單端與差分ADC訊號的比較簡化示意圖。

(來源:Stratiset)

 

上述已經暗示了使用差分輸入可以對ADC性能進行升級。然而,絕大多數低成本ADC,包括微控制器中的ADC,都為單端輸入。取樣速率較高的精密ADC通常都採用差分輸入,由於可以獲得期待的位元位數,這種升級是物有所值。

更高的取樣速率

儘管盡最大的努力簡化,但有時物理問題卻不可避免。在許多ADC結構中,其類比輸入看起來是容性的,這讓事情會變得有點複雜。例如,為了實現較好的擷取效果,一些ADC在採樣保持電路中採用開關電容方案來保持訊號穩定。然而,如果訊號變化太大,驅動電流太小,以及充電時間不夠,採樣就達不到輸入訊號電平。

要克服電容浪湧就需要採用ADC驅動器,以快速泵送足夠的電流。壓擺率可以衡量驅動器的輸出電壓變化回應其輸入的速度,高壓擺率ADC驅動器還需要更高的頻寬,大約為ADC驅動取樣速率的5~10倍。在雷達和5G設計中,取樣速率通常非常高,此時就需要傳輸線理論和阻抗匹配來發揮作用,但這通常已超出了大多數工程師的能力範圍。

使元件選擇更容易

在ADC技術方面,Stratiset已經取得了很大進展,現在已經達到可以為特定應用最佳化部件的程度。大多數ADC供應商還提供為特定任務創建的ADC驅動器選擇功能,使工程師能夠處理差分訊號、壓擺率、頻寬和共模雜訊抑制等。

採用外部類比驅動器來輔助ADC,選擇正確的量程,以從雜訊中更好地提取訊號。再結合量程可以覆蓋預期物理輸入訊號範圍的感測器,驅動器可以讓ADC利用更寬的數位範圍。隨著速度的提高,ADC驅動器還可以為工程師在音訊、無線電或視訊應用提供協助。

(參考原文:How to assist ADCs with external analog drivers,by Don Dingee)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20223月號

 

 

 

 

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