充分理解ADC驅動器的優點

作者 : Kevin Tretter,Microchip Technology MSLD業務部門資深產品行銷經理

感測器市場的蓬勃發展,導致對包括類比數位轉換器(ADC)在內的類比訊號調節功能的需求也在持續增加。隨著ADC方案的成本變得越來越實惠,其正在向更高解析度、更高速發展。

隨著感測器在包括各種物聯網(IoT)應用、工廠自動化和控制、公共衛生和安全、醫療保健和汽車及其擴展領域等各種終端市場中變得越來越豐富,整個感測器市場預計將以超過9%的年複合成長率(CAGR)成長,導致對包括類比數位轉換器(ADC)在內的類比訊號調節功能的需求也在持續增加。隨著ADC解決方案的成本變得越來越實惠,其趨勢正在向更高解析度、更高速度方向發展。

要實現優異的ADC性能,就離不開ADC驅動器。ADC驅動器實際上就是專用放大器,專門設計用來與包括逐次逼近型、流水線型和基於⊿/Σ架構的ADC配套工作。這類專用放大器是使ADC實現最佳性能的關鍵電路。隨著ADC向更高速度、更高解析度發展,這類放大器變得愈加重要。

ADC輸入

在討論ADC驅動器所需的技術功能之前,簡單瞭解目前ADC的輸入架構會很有幫助。差分訊號可以定義為圍繞一個固定值(稱為共模電平)、具有相等幅度但相位相反的兩個訊號。如圖1所示,這兩個訊號通常被稱為同相和反相(或正和負)訊號。

 

圖1:差分正弦波示意圖。

(來源:Microchip)

 

在上述示例中,滿量程輸入電壓差分峰峰值為5V,每邊幅擺峰峰值為2.5V,該示例中的共模電平為2.5V。目前大多數高性能ADC都採用差分輸入架構,因為與單端輸入相比可以提供更優的性能,包括抑制共模雜訊和常見干擾訊號的能力,以及6dB (或2倍)的動態範圍提升。

ADC設計可能會給系統設計人員帶來特別艱巨的挑戰,因為它們具有必須在系統級考慮的各種不同的輸入採樣架構。出於討論的目的,本文將重點考慮使用開關電容架構來實現輸入採樣的ADC。這種輸入架構最基本的形式是由一個相對較小的電容和一個類比開關組成,如圖2所示。

 

圖2:用於輸入採樣的一種簡單的開關電容輸入架構。

(來源:Microchip)

 

當開關在位置1時,採樣電容被充電至採樣點電壓,本例中為VS;然後將開關翻轉到位置2,採樣電容上的累積電荷隨後被轉移到採樣電路的其餘部分。然後不斷重複該過程。

這種形式為無緩衝式開關電容輸入,可能會導致嚴重的系統級問題。將採樣電容充電至適當電壓所需的電流必須由連接ADC輸入的外部電路來提供,當電容切換到採樣點(圖2中的開關位置1)時,將需要大量電流來為電容充電。這個暫態電流的大小是採樣電容容量、開關切換頻率,以及採樣點上電壓的函數,可由下式表示:

其中,C是採樣電容容量,V是採樣點上的電壓(在本例中表示為VS),f是採樣開關頻率。這個開關電流會在採樣點上產生很大的電流尖峰,如圖2所示。

在設計ADC前面的類比電路時,必須考慮這種開關電流的影響。輸入電流通過任何電阻時都會產生壓降,從而導致ADC的採樣點處出現電壓誤差。如果輸入節點在下一個採樣週期之前沒有完全穩定,還會產生失真。

解決方案:ADC驅動器

為充分利用更高解析度、更高速度的ADC,如何保持感測器訊號完整性將變得極具挑戰性。隨著ADC解析度和速度越來越高,感測訊號失真及雜訊的影響將變得更加明顯。在ADC採樣速度較高時,必須確保輸入訊號在採樣發生之前已經穩定,還要確保尖峰訊號頻譜不能混疊到有用訊號頻寬內。

為了克服這些訊號調節面臨的挑戰,許多ADC應用需要一個驅動器來實現足夠的穩定性和抗混疊性能。儘管也可以輕鬆處理差分輸入訊號,但ADC驅動器的主要功能之一是提供輸入訊號的單端到差分轉換,因為如今大多數ADC都採用差分輸入架構。

ADC驅動器的另一個功能是對輸入訊號進行緩衝,從而將ADC輸入點的電荷注入電路與其他電路隔離開來。ADC驅動器提供暫態充電,以確保採樣點在追蹤時間內穩定下來,從而最大限度地減少與穩定相關的任何失真。必須注意ADC驅動器和轉換器的電路板佈局,確保從驅動器輸出到ADC輸入的跡線電阻最小。

大多數ADC驅動放大器還提供一個引腳,用於共模電壓電平的調整。此功能非常適合用來確保生成的差分訊號位於ADC輸入電壓範圍的中間,從而確保動態範圍最大化。隨著ADC工作電壓持續降低,為了確保輸入訊號具有最大解析度,動態範圍將變得更加關鍵。

最後,與大多數放大器類似,ADC驅動器可以對輸入訊號進行放大和主動濾波。值得注意的是,大多數ADC驅動器的增益都相對較低,通常為1V/V或2V/V。透過保持放大器的低閉迴路增益和迴路增益最大化,從而確保失真最低。例如,如果一個放大器的開迴路增益為100dB,並且將閉迴路增益設計為200或46dB,則只剩下54dB的開迴路增益裕度來確保線性度,或約為500分之一。而通常為了最大限度地提高訊噪比,會在靠近訊號源的位置設計單獨的高增益放大電路。

結論

隨著感測器在各種終端市場中的普及,人們對訊號調節電路的關注度越來越高,而隨著高解析度和高速ADC成本的不斷降低,實現這種性能改進變得更具挑戰性。為了實現最佳的資料轉換性能,本文討論的這類ADC驅動器至關重要,它可將源訊號帶來的失真、雜訊和穩定時間誤差減小到忽略不計,從而實現最佳的系統性能。

(參考原文:Understanding analog-to-digital converter (ADC) drivers,by Kevin Tretter)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20229月號

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論