如今，高速(ADC)的種類和廠商眾多，要選擇一款合適的產(chǎn)品可能并非易事?？s小范圍之后，最終的抉擇往往是選取緩沖型還是無緩沖型(開關(guān)電容)轉(zhuǎn)換器。因為受尺寸和功耗的影響，通常傾向于無緩沖型。那么如何設(shè)計無緩沖式ADC呢？

是否需要使用無緩沖型ADC?

綬沖型與無緩沖型ADC之間存在很大差異。緩沖型的優(yōu)點比較直觀，緩沖器帶來的這些好處可以在一定程度上簡化模擬接口設(shè)計 ，并日支持更高的輸入帶寬。然而，緩沖器的缺點也是存在的，盡管不太明顯。緩沖器通常需要較高的電源電壓，這會帶來額外的電源設(shè)計問題。ADC的噪聲和線性度也會受到影響。因此在電源方面，整體ADC設(shè)計大受影響。

在系統(tǒng)層次上，多數(shù)高速ADC的輸入來用放大器驅(qū)動。因此，在常見的信號鏈應(yīng)用中 ，緩沖器的電源有點多余。如果模擬接口電路和放大器設(shè)買為直接驅(qū)動采樣網(wǎng)絡(luò)，而不使用緩沖器，則整個系統(tǒng)可以得到更好的優(yōu)化。

去掉緩沖器是多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計師的選擇，這樣可以額外節(jié)省功耗。

如何設(shè)計無緩沖ADC？

一、挑戰(zhàn)

放大器級的設(shè)計由兩個彼此相關(guān)的不同級組成，因此問題變得難以在數(shù)學上建模，特別是因為有非線性因素與這兩級相關(guān)。第一步是選擇用來緩沖傳感器輸出并驅(qū)動ADC輸入的放大器。第二步是設(shè)計一個低通濾波器以降低輸入帶寬，從而最大限度地減少帶外噪聲。

理想的放大器是提供剛剛好的帶寬以正確緩沖傳感器或變送器產(chǎn)生的信號，而不會增加額外噪聲，并且功耗為零，但實際放大器與此相距甚遠。在大多數(shù)情況下，放大器規(guī)格將決定整體系統(tǒng)性能，尤其是在噪聲、失真和功耗方面。為了更好地弄清楚問題，第一步是了解離散時間ADC的工作原理。

離散時間ADC獲得連續(xù)時間模擬信號的樣本，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。當信號被采樣時，根據(jù)模擬轉(zhuǎn)換器的類型，同一固有問題有兩種不同的情況：

SARADC集成一個采樣保持器，其基本上由一個開關(guān)和一個電容組成，作用是保持模擬信號直到轉(zhuǎn)換完成。

離散時間∑-ADC或過采樣轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了類似的輸入級，即具有一定內(nèi)部電容的輸入開關(guān)?！?ADC的采樣機制略有不同，但采樣輸入架構(gòu)類似，使用開關(guān)和電容來保持模擬輸入信號的副本。

在這兩種情況下，開關(guān)都是用CMOS工藝實現(xiàn)，閉合時電阻為非零值，通常為幾歐姆。此串聯(lián)電阻與采樣電容(pF級)的組合，意味著ADC輸入帶寬常常非常大，在許多情況下要遠大于ADC采樣頻率。

二、帶寬問題

對轉(zhuǎn)換器來說，輸入信號帶寬是一個問題。在采樣理論中，我們知道高于奈奎斯特頻率(ADC采樣頻率的一半)的頻率信號應(yīng)被移除，否則這些頻率信號將在目標頻帶中產(chǎn)生鏡像或混疊。通常，噪聲頻譜中有相當一部分功率存在于ADC奈奎斯特頻率以上的頻帶中。如果不處理這種噪聲，它將混疊到奈奎斯特頻率以下，增加本底噪聲，使系統(tǒng)的動態(tài)范圍明顯降低。

ADC輸入信號帶寬，以及緩沖器輸出帶寬，是第一個要解決的問題。為確保噪聲不會向下混疊，必須限制ADC輸入信號的帶寬。這不是一個小問題。

通常，放大器的選擇是基于大信號帶寬(即壓擺率)和增益帶寬積的規(guī)格，以便應(yīng)對輸入信號的極端情況，這決定了ADC可以跟蹤的最快變化的信號。

然而，放大器的有效噪聲帶寬等于小信號帶寬(通常針對小于10mVp-p的信號而考慮)，這常常比大信號帶寬高出至少四到五倍。

換句話說，如果大信號規(guī)格是針對500kHz而選擇，那么小信號帶寬很容易就能達到2MHz或3MHz，這可能會導致ADC采集到大量噪聲。因此，在將模擬信號輸入ADC之前，應(yīng)在外部限制小信號帶寬，否則測得的噪聲將是ADC數(shù)據(jù)手冊規(guī)格的三到四倍。

但是，這還沒完。ADC內(nèi)部開關(guān)電阻和電容定義了模擬輸入帶寬，但由于輸入信號的變化，會產(chǎn)生時域充放電循環(huán)。每次開關(guān)(連接到采樣ADC電容的外部電路)閉合時，內(nèi)部電容電壓可能與先前儲存在采樣電容上的電壓不同。

三、何為反沖問題?如何解決？

下面是一個經(jīng)典的模擬問題：“若有兩個并聯(lián)電容連接到一個開關(guān)，開關(guān)斷開時，一個電容儲存了一些能量，那么當開關(guān)閉合時，兩個電容會發(fā)生什么?”

答案取決于充電電容儲存的能量和電容之間的比率。例如，如果兩個電容具有相同的值，則能量將在它們之間均分，電容端子間測得的電壓將減半。

這就是反沖問題。一些ADC會執(zhí)行內(nèi)部校準以補償內(nèi)部誤差，這稱為自穩(wěn)零校準。這些程序會使采樣電容電壓接近供電軌或另一電壓，例如基準電壓的一半。

為了最大限度地解決這個問題，放大器輸出應(yīng)通過低通濾波器的串聯(lián)電阻與外部電容隔離。電阻應(yīng)足夠大，以保證緩沖器不會看到虛部阻抗，但又足夠小，以滿足所需的輸入系統(tǒng)帶寬，并使緩沖器流出的電流在電阻上引起的IR壓降最小(放大器可能無法足夠快地使這種電壓降穩(wěn)定下來)。同時，電阻應(yīng)支持外部電容減小到足夠小的值，以最小化反沖而不影響建立時間。