如何利用輸入高阻技術(shù)減少解決方案功耗及尺寸

多路復(fù)用SAR ADC通常用于需要不斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多個(gè)關(guān)鍵變量的應(yīng)用。在光通信應(yīng)用中，可以通過光功率測(cè)量監(jiān)測(cè)激光偏壓，而在VSM應(yīng)用中可以監(jiān)測(cè)來自電極的EEG/ECG信號(hào)。這些多路復(fù)用應(yīng)用有一些共同的要求：

有很多通道需要監(jiān)測(cè)。一般來說，ADC會(huì)按順序監(jiān)測(cè)所有通道。

通道電壓通常彼此不相關(guān)。

在系統(tǒng)尺寸和功耗方面存在嚴(yán)格的限制。

由于上述這些要求，設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。當(dāng)ADC在一個(gè)通道上完成轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC內(nèi)的采樣電容會(huì)充電至該通道電壓。如果采樣電容的電壓與序列中下一個(gè)通道的電壓相差很大，則必須通過信號(hào)鏈設(shè)計(jì)，使采樣電容能夠在允許的采樣時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地穩(wěn)定在新電壓。過去通常是使用一個(gè)寬帶驅(qū)動(dòng)放大器，再配合一個(gè)RC濾波器來解決這個(gè)問題。典型的信號(hào)鏈如圖1所示。

圖1.采用傳統(tǒng)多路復(fù)用SAR ADC的信號(hào)鏈

傳感器可以輸出電壓或電流，而傳感器接口電路可以分別是一個(gè)儀表放大器或一個(gè)互阻抗放大器。電容通常為NP0/C0G型，因?yàn)槠渌愋偷碾娙輹?huì)造成明顯的失真。NP0電容線性度高，但密度低。選用的NP0電容也要比ADC內(nèi)部采樣電容的值大得多。它執(zhí)行兩個(gè)關(guān)鍵功能：

減少ADC采樣電容的反沖

濾除所需穩(wěn)定帶寬以外的噪聲，從而降低信號(hào)鏈的寬帶噪聲

在傳統(tǒng)的信號(hào)鏈中，每個(gè)通道必須使用驅(qū)動(dòng)放大器和大電容。每個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器的功耗在零點(diǎn)幾毫安到幾毫安之間。每個(gè)電容（包括間隙）可能占據(jù)約1mm2的電路板面積。如果多個(gè)通道都采用這種信號(hào)鏈，將非常不利于減小系統(tǒng)尺寸和降低功耗。這是當(dāng)今多路復(fù)用SAR ADC應(yīng)用中的主要問題之一。

什么是輸入高阻技術(shù)？

就模擬輸入而言，高阻技術(shù)是指一組電路技術(shù)，可在不消耗靜態(tài)或連續(xù)功率的情況下，大幅提高ADC的有效輸入阻抗。這使得ADC的輸入易于驅(qū)動(dòng)。

假設(shè)多路復(fù)用ADC正在通道N-1上轉(zhuǎn)換，下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的通道是通道N。

在轉(zhuǎn)換啟動(dòng)(CNV)的上升沿，對(duì)通道電壓進(jìn)行采樣。在圖2中，CNV的第一個(gè)上升沿對(duì)通道N-1的電壓進(jìn)行采樣。然后ADC對(duì)通道N-1上的采樣電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，在禁用輸入高阻的情況下，ADC繼續(xù)獲取序列中的下一個(gè)通道，即通道N。通道N上的電壓通常與通道N-1上的電壓大不相同，此時(shí)要對(duì)ADC電容充電，達(dá)到通道N的電壓水平。這會(huì)在通道N（深藍(lán)色虛線）上產(chǎn)生巨大的電壓沖擊，并在采樣瞬間（CNV的第二上升沿）在通道電壓中引入較大誤差。因此需要一個(gè)較大的外部電容來吸收沖擊，并且需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器來提供必要的電荷。

圖2.啟用和禁用高阻功能時(shí)AD4696的相位

當(dāng)啟用輸入高阻時(shí)，會(huì)對(duì)ADC的內(nèi)部采樣電容充電，使其達(dá)到將要采集通道的當(dāng)前電壓水平，然后開始真正的電壓采樣。在通道N-1上進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，立即引入高阻相位，將ADC采樣電容精確充電到通道N的當(dāng)前電壓水平。這意味著，當(dāng)ADC采樣電容連接到外部輸入時(shí)，它不會(huì)提供任何電荷，也不會(huì)導(dǎo)致任何反沖。在實(shí)踐中，由于內(nèi)部開關(guān)的電荷注入（第一次電荷沖擊），通常會(huì)有較小的殘余誤差。這種微小的殘余誤差使得通道N采樣瞬間的穩(wěn)定誤差幾乎可以忽略不計(jì)。在啟用高阻的情況下，這個(gè)電荷誤差將明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)。

當(dāng)通道N的采樣完成后，ADC必須繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，內(nèi)部開關(guān)將ADC的采樣電容與外部輸入斷開。由于開關(guān)打開電荷注入，這會(huì)導(dǎo)致第二次電荷沖擊。通常情況下，第二次電荷沖擊的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，所以第一次電荷沖擊的幅度決定了通道的穩(wěn)定誤差。因此，必須盡可能減小第一次電荷沖擊的幅度。

AD4696（新一代多路復(fù)用SAR ADC）采用了輸入高阻技術(shù)，作為EasyDrive?功能集的一部分。因此，AD4696在通道上開始電壓采樣時(shí)非常平穩(wěn)。每個(gè)通道不再需要反沖吸收電容和驅(qū)動(dòng)放大器。這使得系統(tǒng)尺寸和功耗大幅減少，并且信號(hào)鏈明顯簡(jiǎn)化，如圖3所示。

圖3.采用AD4696多路復(fù)用SAR ADC的信號(hào)鏈

在AD4696系列中實(shí)現(xiàn)輸入高阻有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，就是執(zhí)行高阻功能的電路都可以按轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行循環(huán)上電。因此，高阻功能的功耗將與ADC的吞吐量成線性比例，如同核心SAR ADC本身一樣。與刻板的傳統(tǒng)信號(hào)鏈設(shè)計(jì)相比，這具有明顯的靈活性。

AD4696的LTspice®模型中也內(nèi)置了輸入高阻功能。對(duì)第一次和第二次電荷沖擊進(jìn)行了精確建模，從而能夠可靠地仿真信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定偽影。

一些細(xì)節(jié)

回顧一下會(huì)發(fā)現(xiàn)，NP0電容還提供了信號(hào)鏈的寬帶噪聲濾波。如果想去除這個(gè)電容，就必須找到其它方法來濾除噪聲。實(shí)現(xiàn)相同的有效信號(hào)鏈噪聲帶寬的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是增加外部串聯(lián)電阻。AD4696有一個(gè)60pF的內(nèi)部電容，與一個(gè)240Ω的典型內(nèi)部電阻串聯(lián)。通過設(shè)置外部電阻，可以將信號(hào)鏈噪聲帶寬調(diào)整到目標(biāo)值。

在沒有NP0電容的情況下，外部電阻對(duì)信號(hào)鏈的噪聲性能、線性度和精度起著重要作用。小阻值電阻有助于快速穩(wěn)定采樣電荷沖擊，從而提高線性度和精度，但更高的有效噪聲帶寬會(huì)導(dǎo)致整體噪聲增加。相反，大阻值電阻可以更好地濾除噪聲，但線性度和精度會(huì)降低。

正如下一節(jié)所述，AD4696采用高阻技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)，就是其允許使用大阻值電阻（從而實(shí)現(xiàn)更好地濾除噪聲），且不會(huì)降低線性度和精度。它支持對(duì)信號(hào)鏈中的所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括噪聲、線性度、精度、功耗和解決方案尺寸。

測(cè)量結(jié)果

在沒有任何NP0電容的情況下，用一個(gè)2kΩ的外部電阻進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果顯示，在啟用模擬輸入高阻的情況下，交流和直流性能得到大幅改善。實(shí)驗(yàn)中以1MSPS的速度運(yùn)行AD4696的核心ADC，但選擇了更多的通道作為輪詢序列的一部分。數(shù)據(jù)都在一個(gè)通道上收集，而序列中其它通道的輸入電壓為0V。

圖4.THD與序列中通道數(shù)的關(guān)系。測(cè)試音：1kHz, –1dBFS

圖4顯示了1kHz、-1dBFS信號(hào)音下相關(guān)信道的失真性能。當(dāng)通道在禁用高阻的情況下進(jìn)行排序時(shí)，由于采樣電容未充電到后續(xù)通道的電壓水平，因此會(huì)出現(xiàn)非線性穩(wěn)定誤差。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重失真。啟用高阻后，失真性能有了很大的改善。

圖5.16位電平LSB中的直流穩(wěn)定誤差

圖5顯示了有和沒有高阻功能的直流穩(wěn)態(tài)建立誤差。在這個(gè)測(cè)試中，相關(guān)的通道具有接近滿量程的輸入值，序列中的其它通道驅(qū)動(dòng)電壓為0V。在相關(guān)通道上進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)將越來越多的通道添加到序列中，并繪制出平均輸出代碼與預(yù)期代碼的偏移。

當(dāng)核心ADC以低于1MSPS的吞吐量運(yùn)行時(shí)，用戶可能需要進(jìn)一步降低有效的信號(hào)鏈噪聲帶寬，來限制模擬前端噪聲混疊。這將需要更高的電阻值，而高阻功能非常有助于在這些條件下保持性能。

結(jié)論

AD4696系列產(chǎn)品采用輸入高阻技術(shù)為多路復(fù)用SAR應(yīng)用帶來了很大的優(yōu)勢(shì)，比如降低系統(tǒng)級(jí)功耗、減小尺寸和減少元件數(shù)量等，同時(shí)保持高水平的交流性能和直流精度。這樣每個(gè)通道不再需要專用驅(qū)動(dòng)放大器和反沖吸收電容。高阻功能本身的功耗與ADC的吞吐量成比例，為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)提供了良好的靈活性和多功能性。AD4696的LTspice模型可用于仿真用戶希望設(shè)計(jì)的任何系統(tǒng)中電荷沖擊的影響。

致謝

作者在此感謝Asif Ahmad、Peter Hurrell和Tyler Schmitt對(duì)本文的貢獻(xiàn)。