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[導(dǎo)讀]“有緩沖”或“無緩沖”考慮輸入阻抗的影響時,設(shè)計人員一般可以在兩類高速ADC之間選擇:有緩沖和無緩沖(即采用開關(guān)電容)。雖然有許多不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇,但本文討論的應(yīng)用僅涉及流水

“有緩沖”或“無緩沖”

考慮輸入阻抗的影響時,設(shè)計人員一般可以在兩類高速ADC之間選擇:有緩沖和無緩沖(即采用開關(guān)電容)。雖然有許多不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇,但本文討論的應(yīng)用僅涉及流水線架構(gòu)。

常用的CMOS開關(guān)電容ADC無內(nèi)部輸入緩沖器。因此,其功耗遠(yuǎn)低于緩沖型ADC。外部前端直接連接到ADC的內(nèi)部開關(guān)電容采樣保持(SHA)電路,這帶來兩個問題。

第一,當(dāng)ADC在采樣與保持兩種模式之間切換時,其輸入阻抗會隨頻率和模式而變化。第二,來自內(nèi)部采樣電容和網(wǎng)絡(luò)的電荷注入會將少量信號(與高頻成分混合,如圖1所示)反射回前端電路和輸入信號,這可能導(dǎo)致與轉(zhuǎn)換器模擬輸入端相連的元件(有源或無源)發(fā)生建立(settling)錯誤。


圖1:此圖反映了內(nèi)部采樣電容的時域電荷注入(單端)與頻域電荷注入的對比關(guān)系。

通常,當(dāng)頻率較低時(《100MHz),這類轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗非常高(數(shù)千Ω左右);當(dāng)頻率高于200MHz時,差分輸入阻抗跌落至大約200Ω。輸入阻抗的虛部(即容性部分)也是如此,低頻時的容抗相當(dāng)高,高頻時逐漸變小到大約1-2pF。“匹配”這種輸入結(jié)構(gòu)是個極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計問題,特別是當(dāng)頻率高于100MHz時。

輸入端采用差分結(jié)構(gòu)很重要,尤其是對于頻域設(shè)計。差分前端設(shè)計能夠更好地對電荷注入進(jìn)行共模抑制,并且有助于設(shè)計。

采用帶輸入緩沖的轉(zhuǎn)換器更便于設(shè)計。但不利的一面是這類轉(zhuǎn)換器的功耗更高,因為緩沖器必須設(shè)計得具有高線性和低噪聲特性。輸入阻抗通常規(guī)定為固定的差分R||C阻抗。它由一個晶體管級進(jìn)行緩沖,該級以低阻抗驅(qū)動轉(zhuǎn)換過程,因此顯著減小了電荷注入尖峰和開關(guān)瞬變。

與開關(guān)電容型ADC不同,輸入終端在轉(zhuǎn)換過程的采樣和保持階段幾乎無變化。因此,相比于無緩沖型ADC,其驅(qū)動電路的設(shè)計容易得多。圖2為緩沖型和無緩沖型ADC的內(nèi)部采樣保持電路的結(jié)構(gòu)簡圖。


圖2: 所示是無緩沖(a)和有緩沖(b)高速流水線ADC采樣和保持電路的比較。

轉(zhuǎn)換器的選擇可能很難,但如今的大部分設(shè)計都力求更低功耗,因此設(shè)計人員往往采用無緩沖型轉(zhuǎn)換器。如果線性指標(biāo)比功耗更重要,則通常選用緩沖型轉(zhuǎn)換器。應(yīng)當(dāng)注意,無論選擇何種轉(zhuǎn)換器,應(yīng)用的頻率越高,則前端設(shè)計就越困難。單靠選擇緩沖型轉(zhuǎn)換器并不能解決所有問題。不過在某些情況下,它可能會降低設(shè)計復(fù)雜性。

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