解讀SAR ADC驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器選擇

　　運(yùn)算放大器的軌至軌運(yùn)行是指其輸入級(jí)或輸出級(jí)，或者是指其輸入級(jí)和輸出級(jí)。作為驅(qū)動(dòng) SAR ADC 輸入端的一個(gè)緩沖器，我們更關(guān)注的是運(yùn)算放大器軌至軌的輸出能力。一般說(shuō)來(lái)，該輸出能力表明了輸出級(jí)能夠接近電源軌的程度。該參數(shù)可在大多數(shù)低頻或 DC 輸出信號(hào)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到，因此更好地了解輸出擺幅能力，將有助于在既定條件下驅(qū)動(dòng) ADC 輸入端時(shí)，確定最佳工作點(diǎn)。

　　為了確定輸出級(jí)極限，應(yīng)事先開(kāi)展如下測(cè)量工作：對(duì)于電源電壓為 5V 的軌至軌運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)的偏移為 2.5V 或?yàn)殡娫措妷旱囊话?。該運(yùn)算放大器應(yīng)事先在電壓跟隨器(或增益為 +1)配置中予以設(shè)置。峰至峰輸入 AC 信號(hào)振幅從0 提高到了 5V，達(dá)到了電源電壓電平。當(dāng)輸出級(jí)達(dá)到其極限時(shí)，則可以顯示出不同的峰至峰輸出電壓在運(yùn)算放大器輸出端的總諧波失真與噪聲 (THD+N) 的測(cè)量情況(請(qǐng)參閱圖 1)。

　　圖 1：測(cè)量得出的運(yùn)算放大器輸出信號(hào)

　　通常情況下，當(dāng)信號(hào)振幅增大時(shí)，低頻信號(hào) (1kHz)、總諧波失真保持不變。只有當(dāng)輸出電壓和電源軌之間的差值低于 10mV 時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致性能顯著下降。而當(dāng)輸出信號(hào)頻率增加時(shí)，輸出電壓和電源電壓之間的差值也會(huì)隨之增大。對(duì)于 10kHz 的信號(hào)而言，當(dāng)上述電壓差值低于 200mV時(shí)，相關(guān)性能才開(kāi)始下降;對(duì)于 20kHz 的信號(hào)而言，當(dāng)上述電壓差值低于 300mV 時(shí)，相關(guān)性能才開(kāi)始下降;以此類(lèi)推。如果要保持相關(guān)性能不變，當(dāng)頻率增大時(shí)，則可減小輸出信號(hào)的擺幅。如欲了解有關(guān)的測(cè)量結(jié)果，敬請(qǐng)參閱圖 2。

　　圖2：在不同的輸出信號(hào)情況下，測(cè)量得出的運(yùn)算放大器失真

　　考慮到運(yùn)算放大器的輸出級(jí)極限，這些測(cè)量結(jié)果將有助于我們確定 SAR ADC 電路的最佳工作點(diǎn)。正如在上述例子中，采用電源電壓為 5V 的 OPA365，在頻率為 150kHz，輸出信號(hào)高達(dá) 4.1VPP 時(shí)，仍能保持相關(guān)的性能不變。由于電源軌留有 450mV 的裕度，所以在 100kHz 的范圍內(nèi) OPA365 能輕而易舉的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　RC 負(fù)載對(duì)運(yùn)算放大器的影響

　　以前，我們?cè)C實(shí)，對(duì)于最佳的 AC 性能而言，運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)擺幅將會(huì)介于 450mV 和 4.55V 之間。用于驅(qū)動(dòng) SAR ADC 運(yùn)算放大器的第二個(gè)重要參數(shù)就是要找出其驅(qū)動(dòng)不同的 RC 負(fù)載的極限。為此，我們大力推薦在 ADC 輸入端采用 RC 濾波器來(lái)限制輸入噪聲的帶寬，并幫助運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)由 SAR ADC 產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)電容負(fù)載。圖 3 表明了測(cè)試調(diào)整電路 (test setup circuit) 如何幫助我們確定具有 RC 負(fù)載的運(yùn)算放大器的驅(qū)動(dòng)極限。

　　圖 3：測(cè)量運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng) RC 負(fù)載的能力

　　首先，將 RC 電路的截止頻率定為 1.5MHz。這一頻率限額是以在未來(lái)設(shè)計(jì)中將要采用的 ADC 預(yù)期采集時(shí)間為基礎(chǔ)設(shè)定的。另外，如欲保持截止頻率不變，則應(yīng)開(kāi)展不同 RC 組合以及不同信號(hào)頻率的測(cè)量工作(請(qǐng)參閱圖 4)。

　　圖4：在不同的 RC 情況下，測(cè)量得出的運(yùn)算放大器失真情況

　　對(duì)于較低的頻率而言，我們則使用較小阻值的電阻或較大容量的電容器。當(dāng)信號(hào)頻率增大時(shí)，阻值較大的電阻應(yīng)與容量較小的電容器配合使用，以保持相關(guān)性能的穩(wěn)定。對(duì)于在既定條件下的 OPA365 來(lái)說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用阻值為 50-100Ω 的電阻來(lái)改善性能并不令人滿意——尤其是對(duì)于更高的信號(hào)頻率而言，想通過(guò)采用阻值為 50-100Ω 的電阻來(lái)改善性能更是無(wú)濟(jì)于事。對(duì)于應(yīng)用頻率 (applied frequency) 而言,我們可以采用阻值大于 100Ω 的電阻或容量小于 1nF 的電容器來(lái)保持 AC 性能的穩(wěn)定。當(dāng)選擇電阻的阻值和電容器的容量時(shí)，我們應(yīng)遵循運(yùn)算放大器的穩(wěn)定性要求。

　　ADC 輸入的非線性特性

　　減小輸出電壓擺幅將有助于保持運(yùn)算放大器的性能，但還應(yīng)考慮信號(hào)的完整性及其對(duì)不同系統(tǒng)組件的影響。隨后可向 ADC 輸入端發(fā)送一個(gè)信號(hào)。圖 5 為常見(jiàn)的SAR ADC 輸入級(jí)。在流經(jīng)輸入靜電放電 (ESD) 保護(hù)二極管之后，則可對(duì)一個(gè)采樣電容器和兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 開(kāi)關(guān)中的信號(hào)進(jìn)行采樣。如果采用了理想的組件，本設(shè)計(jì)不會(huì)對(duì)采樣階段的運(yùn)算放大器的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生任何影響。

　　圖 5：SAR ADC 的輸入級(jí)

　　遺憾的是，這些組件并非理想的解決方案(請(qǐng)參閱圖 6)，特別是臨近電源軌的等效負(fù)載非線性特性，向緩沖電路提出了新的挑戰(zhàn)。

　　圖 6：SAR ADC 的運(yùn)算放大器等效負(fù)載

　　減小從運(yùn)算放大器至 ADC 輸入端的信號(hào)擺幅，將帶來(lái)諸多益處。在運(yùn)算放大器的輸出端應(yīng)用 5VPP的信號(hào)將減弱總諧波失真 (THD) ，尤其是當(dāng)頻率較高時(shí)，更是如此。另外，在 SAR ADC 的輸入端應(yīng)用 5VPP 的信號(hào)時(shí)，要求運(yùn)算放大器擁有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，特別是在接近電源電壓的情況下，尤為如此。以 2.5V 的偏移量，將信號(hào)電平從 5VPP 減小到 4.1VPP，將同時(shí)為正、負(fù)電源軌增加 450mV 的裕度。這種設(shè)置使運(yùn)算放大器更易于在較高頻率的情況下，提供令人滿意的 THD。目前，ADC 等效輸入負(fù)載處于線性區(qū)域，從而使運(yùn)算放大器更易于為采樣電容器充電。

　　需要考慮的另一個(gè)問(wèn)題是：ADC 的滿量程衰減。在常見(jiàn)的 ADC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換器的額定電源電壓為 5V，其額定滿量程 (FSR) 為一個(gè) 5VPP 的信號(hào)。請(qǐng)務(wù)必注意，ADC 的輸入 FSR 取決于應(yīng)用參考電壓，您可以針對(duì)新的運(yùn)行條件，對(duì) FSR 進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)使用的參考電壓為 2.5V 時(shí)，對(duì)于德州儀器 (TI) ADS8361 而言，在 2.5V 或 5VPP 時(shí) FSR 輸入信號(hào)將為 ±2.5V。將參考電壓調(diào)整為 2.048V 后，在 2.5V 或 4.1VPP 時(shí)，新的(調(diào)整后的)FSR 輸入信號(hào)將為 ±2.048V?，F(xiàn)在，在 4.1VPP 的輸入信號(hào)中，我們就擁有了一個(gè)全 16 位的轉(zhuǎn)換功能，而無(wú)需衰減動(dòng)態(tài)范圍。

采集時(shí)間與吞吐率 (Throughput Rate) 之間的關(guān)系

　　當(dāng)選擇 ADC 時(shí)，其中最重要的參數(shù)就是速度或吞吐率。這一參數(shù)是采集(采樣)時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間的組合。而轉(zhuǎn)換時(shí)間是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和用以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器功能的硅處理技術(shù)綜合作用的結(jié)果。當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間的縮短超過(guò)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中規(guī)定的限額時(shí)，將嚴(yán)重影響 ADC 的性能。轉(zhuǎn)換時(shí)間通常是因所采用的最大外部時(shí)鐘的不同而不同的。另外，根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的有關(guān)說(shuō)明，上佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐可將外部時(shí)鐘保持在限額之內(nèi)或?qū)⑥D(zhuǎn)換時(shí)間盡量縮短。另一方面，一般說(shuō)來(lái)，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間并不能改善相關(guān)性能。

　　采集時(shí)間在 ADC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中也作了明確的規(guī)定，采集時(shí)間決定著為采樣電容器充電的快慢，以達(dá)到規(guī)定的吞吐率。在采集時(shí)間臨近結(jié)束時(shí)，輸入采樣開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，轉(zhuǎn)換過(guò)程隨即開(kāi)始。在轉(zhuǎn)換周期即將結(jié)束時(shí)，從 ADC 所獲得的數(shù)據(jù)等同于轉(zhuǎn)換周期開(kāi)始時(shí)(或采集周期結(jié)束時(shí))采樣電容器上的電壓。請(qǐng)參閱圖 7。

　　不論 ADC 性能表現(xiàn)的如何卓越，如果沒(méi)有足夠的時(shí)間對(duì)采樣電容器進(jìn)行全面的充電，那么轉(zhuǎn)換結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際模擬輸入信號(hào)不相符的情況。為了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間控制上述參數(shù)，有兩種方法可供選擇：1)采用輸出阻抗低、運(yùn)行速度快的運(yùn)算放大器，或 2)在 ADC 模擬輸入端采用高截止頻率的 RC 濾波器。這種方法可導(dǎo)致運(yùn)算放大器穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，同時(shí)會(huì)給輸入模擬緩沖電路帶來(lái)較大的噪聲影響?；蛘?，您也可以通過(guò)使用運(yùn)行速度適中的運(yùn)算放大器和較低截止頻率的 RC 濾波器，來(lái)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)間。

　　圖 7：ADC 采集和轉(zhuǎn)換周期

　　ADS8361 的吞吐率為 500 kSPS，最高的外部時(shí)鐘頻率為 10MHz。轉(zhuǎn)換過(guò)程分為 16 個(gè)時(shí)鐘周期，或需要 1.6μs 才能完成。其中只有 0.4μs 用于模擬輸入信號(hào)采集過(guò)程。在滿