最大限度提高Σ-Δ ADC驱动器的性能

2020-12-04 11:07:49

你查过网上有多少关于“ADC缓冲设计”的文章吗？答案是400多万篇，在这么多参考文献中很难找到我们需要的东西。对于大多数模拟和混合信号数据采集系统的设计工程师来说，这可能并不奇怪，因为设计无缓冲模数转换器(ADC)的外部前端需要耐心和大量建议。常被认为是一种艺术形式，是经过多年探索掌握了它的窍门的古怪大师的储备。对于没有经验的人来说，这是一个反复尝试的令人沮丧的过程。很多时候，由于很多相互关联的规范，设计师要做出很多取舍(和评价)才能做到最好效果。

挑战

放大器级的设计由两个相互关联的不同级组成，因此很难对问题进行数学建模，尤其是因为这两个级之间存在非线性因素。第一步是选择用于缓冲传感器输出和驱动ADC输入的放大器。第二步是设计一个低通滤波器，减小输入带宽，使带外噪声最小。

理想的放大器是提供刚好合适的带宽，以正确缓冲传感器或发射器产生的信号，而不会增加额外的噪声，功耗为零，但实际放大器远非如此。大多数情况下，放大器规格将决定整体系统性能，尤其是噪声、失真和功耗。要更好地理解问题，第一步是了解离散时间ADC的工作原理。

离散时间ADC获取连续时间模拟信号的样本，然后将其转换为数字代码。当信号被采样时，根据模拟转换器的类型，存在相同固有问题的两种不同情况。

SAR ADC集成了一个采样保持电路，采样保持电路基本上由一个开关和一个电容组成，它的作用是将模拟信号保持到转换完成，如如图1所示。

离散时间-型ADC或过采样转换器实现了类似的输入级，即具有一定内部电容的输入开关。-型ADC的采样机制略有不同，但采样输入架构相似。开关和电容用于保存模拟输入信号的副本。

在这两种情况下，开关都是用CMOS技术实现的，闭合时电阻为非零，通常是几欧姆，这种串联电阻和采样电容(pF级)的结合，意味着ADC输入带宽往往很大，很多情况下远大于ADC采样频率。

带宽问题

对于转换器来说，输入信号带宽是一个问题。在采样理论中，我们知道高于奈奎斯特频率(ADC采样频率的一半)的频率信号应该被去除，否则这些频率信号将在目标频带中产生镜像或混叠。通常，噪声频谱中相当大的功率存在于高于模数转换器奈奎斯特频率的频带中。如果不处理该噪声，它将混叠到奈奎斯特频率以下，这将增加本底噪声(如如图2所示)，并显著降低系统的动态范围。

ADC输入信号带宽和缓冲器输出带宽是首先要解决的问题。为了确保噪声不会混叠，必须限制模数转换器输入信号的带宽。这不是一个小问题。

一般来说，放大器的选择是基于大信号带宽(即压摆率)和增益带宽积的规格，以应对输入信号的极端情况，这决定了ADC能够跟踪的变化最快的信号。

然而，放大器的有效噪声带宽等于小信号带宽(通常考虑小于10 mV p-p的信号)，通常至少比大信号带宽高4到5倍。

换句话说，如果500 kHz选择大信号规格，小信号带宽很容易达到2 MHz或3 MHz，可能导致ADC采集大量噪声。因此，在将模拟信号输入ADC之前，小信号的带宽应受到外部限制，否则测得的噪声将是ADC数据手册规格的三到四倍。