如何選擇最佳放大器驅(qū)動(dòng)SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在本文中，我們在驅(qū)動(dòng)SAR(逐次逼近寄存器)ADC的情況下將考慮一下這些問題。

SAR ADC在模數(shù)轉(zhuǎn)換器世界中被廣為使用。一般而言，這類ADC介于高分辨率、低速Δ-Σ(增量累加)ADC和高速、較低分辨率的流水線型ADC之間。憑借其無延遲特性，在很多應(yīng)用中，SAR ADC常常是比Δ-Σ ADC和流水線ADC更好的選擇，這些應(yīng)用包括：具有多路復(fù)用信號(hào)的應(yīng)用，在任意空閑周期之后需要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確首次轉(zhuǎn)換的應(yīng)用(如自動(dòng)化測試設(shè)備)，以及ADC位于需要快速反饋的環(huán)路內(nèi)的應(yīng)用。

在大多數(shù)情況下，傳感器的輸出都不能直接連接到SAR ADC的輸入。需要一個(gè)放大器來獲得最佳的SNR(信噪比)和失真性能。SAR ADC將輸入采樣至內(nèi)部電容器上，并以逐次二進(jìn)制加權(quán)序列對輸入電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)連接至采樣電容器的開關(guān)打開時(shí)，由于采樣電容器與輸入節(jié)點(diǎn)的電壓不匹配，電荷被注入輸入節(jié)點(diǎn)。在放大器和ADC之間放置了一個(gè)簡單的單極RC濾波器。除了能夠?yàn)V除高頻噪聲和混疊分量，它還能夠幫助吸收這種注入電荷。在為這種濾波器選擇截止頻率時(shí)，必須謹(jǐn)慎小心。截止頻率應(yīng)該設(shè)定在足夠低的頻率上，這樣才能有效吸收注入電荷并濾除噪聲，但是頻率又要設(shè)定得足夠高，以使放大器能夠在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。因?yàn)閱为?dú)使用這種濾波器不足以抑制噪聲，所以在放大器輸入端，一般還包括一個(gè)截止頻率更低的濾波器(參見圖1)。



圖1：LTC2379 18位1.8Msps差分輸入SAR ADC。

驅(qū)動(dòng)差分輸入SAR ADC

很多性能最高的SAR ADC都采用差分輸入，以最大限度地?cái)U(kuò)大低電源電壓的動(dòng)態(tài)范圍。圖1所示的LTC2379-18就是這樣一個(gè)例子，該器件以2.5V的電源和高達(dá)5V的參考電壓工作，以達(dá)到10V的峰-峰值差分輸入范圍。如果輸入信號(hào)已是差分信號(hào)，那么，僅采用一個(gè)低噪聲、快速穩(wěn)定的雙通道運(yùn)算放大器(例如LT6203)也許就能完全滿足緩沖信號(hào)并驅(qū)動(dòng)ADC的需求。將這類放大器配置為單位增益緩沖器，可以為輸入信號(hào)提供高阻抗的輸入端。

不過，在很多情況下，輸入都采用單端類型，并且必須將其轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。用諸如LT6350的放大器可以很容易地完成這一任務(wù)。這類放大器由兩級組成：第一級產(chǎn)生一個(gè)非倒相緩沖輸入信號(hào)，第二級產(chǎn)生倒相輸出。如果輸入信號(hào)已經(jīng)與ADC的輸入范圍相匹配，那么，這個(gè)放大器就可以用來為信號(hào)提供一個(gè)高阻抗的緩沖器，如圖2a所示。如果信號(hào)需要被縮放和移位，以達(dá)到與ADC的輸入范圍相匹配，那么，就可以采用圖2b所示的方法去做。在這個(gè)例子中，單端的±10V信號(hào)被轉(zhuǎn)換成0~5V的差分信號(hào)(R2和R3用來為信號(hào)移位，RIN和R1用于縮放信號(hào))。在精確的模擬電路中常被忽視的事情是，增益設(shè)定和電平移位電阻器之間需要高度匹配。若采用精度為0.1%的分立式電阻器，則會(huì)出現(xiàn)隨著時(shí)間、溫度和共模電壓范圍而變化的失配，失配程度之高很可能使其成為電路誤差的主要來源。使用如LT5400的精確匹配電阻器將有助于減輕這個(gè)問題。



圖2：利用LT6350進(jìn)行單端到差分轉(zhuǎn)換。

放大器在電源電壓和輸出電壓之間需要留有余地。為了保持最佳的精確度和線性度，輸出電壓一般必須比電源軌電壓低出0.5V或者更多，具體情況視放大器而定。這意味著，必須給放大器提供比ADC輸入范圍更寬的電源電壓，或者ADC必須從放大器接受一個(gè)受限的輸入范圍。某些ADC(如LTC2379-18)具有“數(shù)字增益壓縮”功能，該功能在內(nèi)部設(shè)定ADC的滿刻度與地及參考電壓均相差0.5V。這允許使用單一5V供電的放大器與ADC的滿刻度匹配。

驅(qū)動(dòng)偽差分ADC

將單端模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，另一種方法是完全跳過差分轉(zhuǎn)換，而使用新型LTC2369-18等偽差分ADC代之。但這將因?yàn)檩斎敕秶冃。冻鍪ザ噙_(dá)6dB信噪比的代價(jià)。此外，差分架構(gòu)在本質(zhì)上更易于消除偶次諧波。然而，堅(jiān)持使用單端架構(gòu)也有一些重要優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路更加簡單，可以簡單到僅使用一個(gè)諸如LT6202的低噪聲快速穩(wěn)定的運(yùn)算放大器。無需采用第二個(gè)運(yùn)算放大器和多個(gè)電阻器來創(chuàng)建倒相輸入。除了用到較少的元器件，該電路在本質(zhì)上還具有更低的功耗以及噪聲。因?yàn)樵肼曒^低，抗混疊濾波器跟隨在放大器之后，可以有更高的截止頻率。這使得放大器能夠更容易地在ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，從而令其在逐次轉(zhuǎn)換有可能在整個(gè)滿刻度范圍內(nèi)發(fā)生變化的應(yīng)用中成為了很好的選擇，正如具有多路復(fù)用信號(hào)的情形一樣。

需要再次強(qiáng)調(diào)的是，必須考慮放大器的余量，即電源電壓必須距離放大器的輸出擺幅足夠遠(yuǎn)，以對信號(hào)進(jìn)行無失真驅(qū)動(dòng)。在大多數(shù)情況下，這意味著必須為放大器提供負(fù)電壓軌。解決這個(gè)問題的一種方法是使用LTC6360之類的產(chǎn)品。這種新型放大器(圖3)為驅(qū)動(dòng)SAR ADC而進(jìn)行了優(yōu)化，它具有一個(gè)超低噪聲集成充電泵，用于產(chǎn)生自己內(nèi)部的負(fù)電壓軌。在僅使用單一正電源供電時(shí)，這樣便可允許輸出一直擺動(dòng)到地，甚至比地更低一些。LTC6360提供了極好的精確度(250μV偏移電壓，2.3nV/√Hz噪聲)，同時(shí)還可快速穩(wěn)定(150ns 穩(wěn)定到16位)。



圖3：使用單電源時(shí)，LTC6360擺動(dòng)到真正的0V。

本文小結(jié)

有幾種放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用來驅(qū)動(dòng)SAR ADC。最佳的選擇取決于輸入信號(hào)、ADC輸入架構(gòu)和應(yīng)用細(xì)節(jié)，例如輸入信號(hào)是否為多路復(fù)用信號(hào)。此外，還需要考慮包括功耗、復(fù)雜性、性能和速度(轉(zhuǎn)換速率和穩(wěn)定時(shí)間)等權(quán)衡因素。