如何選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入采樣結(jié)構(gòu)?

今天的模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，他們不僅需要選擇正確的IC元件，還必須準(zhǔn)確地預(yù)測這些元件在系統(tǒng)內(nèi)的相互影響。從這點(diǎn)來看，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗哂斜仨氃谙到y(tǒng)級(jí)加以考慮的各種不同的輸入采樣結(jié)構(gòu)。本文將探討幾種通用的輸入采樣結(jié)構(gòu)，并討論每種結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)其它部分的影響。

在如今許多ADC|0">CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，常用的解決方法是采用開關(guān)電容器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入采樣。這種輸入結(jié)構(gòu)的最基本形式由相對(duì)較小的電容器和模擬開關(guān)組成，如圖1所示。

當(dāng)開關(guān)設(shè)在位置1時(shí)，采樣電容器被充電至采樣節(jié)點(diǎn)的電壓(在該例中為V_S)，然后開關(guān)切換至位置2，此時(shí)采樣電容器上累積的電荷被轉(zhuǎn)移至采樣電路的其它部分。這一過程不斷反復(fù)。

上述不帶緩沖器的開關(guān)電容器輸入可引起嚴(yán)重的系統(tǒng)級(jí)問題。例如，將采樣電容器充電到適當(dāng)電壓所需的電流必須由連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的外部電路提供。當(dāng)電容器切換到采樣節(jié)點(diǎn)(圖1中的開關(guān)位置1)時(shí)，對(duì)電容器進(jìn)行充電需要大電流。這一瞬態(tài)電流的大小是采樣電容器容值、電容開關(guān)頻率和采樣節(jié)點(diǎn)電壓的函數(shù)。

這個(gè)開關(guān)電流由下式表示：

I_in=CVf

其中，C為采樣電容器的電容值，V為采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓(本例中用V_S表示)，f為采樣開關(guān)進(jìn)行開關(guān)操作的頻率。這個(gè)開關(guān)電流會(huì)在采樣節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較高的電流尖峰(圖1)。

當(dāng)設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端的模擬電路時(shí)，必須考慮這個(gè)開關(guān)電流的影響。由于該電流可以通過任何電阻，所以將產(chǎn)生壓降，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生電壓誤差。如果轉(zhuǎn)換器的輸入端有高阻抗傳感器或高阻抗濾波器相連，那么這個(gè)誤差將非常大。

例如，假設(shè)電阻器被放置在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端，以隔離傳感器并增強(qiáng)靜電放電(ESD)保護(hù)功能(圖2)。在本例中，采樣電容器的容值為10pF，開關(guān)頻率為1MHz。利用上式計(jì)算可得，瞬態(tài)電流約為25?A。當(dāng)這個(gè)瞬態(tài)電流通過10k?的電阻器時(shí)，采樣節(jié)點(diǎn)上將會(huì)產(chǎn)生250mV的電壓誤差。由于采樣節(jié)點(diǎn)可能被安排在下一個(gè)采樣周期之前，因此這是最差情況下的近似值。該建立時(shí)間取決于由10kΩ電阻器和采樣電容器構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的寄生電容。寄生電容可能是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)線、電路板上的走線長度以及內(nèi)部MOS開關(guān)電容造成的。此外，可能需要一個(gè)外部緩沖器電路來提供必需電流，并確保采樣節(jié)點(diǎn)能被正確設(shè)置，從而保持轉(zhuǎn)換器的線性特性。

不過，當(dāng)開關(guān)頻率更高時(shí)，放大器輸出阻抗將增大，因此必須仔細(xì)選擇放大器和相關(guān)電路才能解決瞬態(tài)開關(guān)電流問題。

為盡可能減小外部電路的瞬態(tài)電流要求，可以設(shè)置一個(gè)內(nèi)部緩沖器(圖3)。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，模擬開關(guān)構(gòu)成三種不同的狀態(tài)。在位置1處，采樣電容器被快速充電至采樣節(jié)點(diǎn)電壓(在本例中為V_S)加上(或減去)緩沖器偏差(V_OS)。在這一階段，對(duì)電容器充電所需的瞬態(tài)電流由內(nèi)部緩沖器電路提供。內(nèi)部緩沖器可被優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便在所要求的開關(guān)頻率下提供低阻抗輸出，利用該開關(guān)頻率可在指定時(shí)間對(duì)電容器進(jìn)行正確充電。然后，開關(guān)被重新配置，在圖3位置2處形成連接。在此階段，采樣電容器直接與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣節(jié)點(diǎn)相連。

接著，采樣電容器被充電或放電，以便電容器電壓與采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓相等。此時(shí)可能仍然存在少量開關(guān)電流，但外部電路所需的電流將減少，這是由于電容器電壓已經(jīng)被充電至內(nèi)部緩沖器的偏置電壓范圍內(nèi)。最后，模擬開關(guān)切換到位置3處，此時(shí)采樣后的電壓可被傳送至采樣電路的其余部分。帶緩沖器的開關(guān)電容器輸入能夠大幅降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器外部電路的瞬態(tài)電流，這是它的優(yōu)點(diǎn)之一。在前一個(gè)例子中，采樣電容器的容值為10pF，開關(guān)頻率為1MHz。假設(shè)內(nèi)部緩沖器的電壓偏置為10mV，這將產(chǎn)生僅100nA的瞬態(tài)電流，該數(shù)值比不帶緩沖的采樣輸入的瞬態(tài)電流小250倍。

在某些情況下，一個(gè)固定或可編程增益放大器被集成到模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端的同一個(gè)硅片中，這個(gè)放大器不僅有助于減小必須由外部電路提供的開關(guān)電流，而且還能對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大。另外，還可以設(shè)置一個(gè)斬波穩(wěn)定放大器來減小1/f噪聲，這種噪聲有時(shí)也被稱為“閃爍噪聲”。這種低頻噪聲是由處理工藝固有的MOS晶體管通道中的表面態(tài)引起的。斬波可以消除1/f噪聲，并減小外部電流要求。不過，由于MOS開關(guān)不匹配，電路中仍將存在少量輸入瞬態(tài)電流。

無論采用何種采樣架構(gòu)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器都必須實(shí)現(xiàn)某種形式的ESD保護(hù)。對(duì)于CMOS方案來說，通常采用箝位二極管進(jìn)行ESD保護(hù)，如圖4所示。箝位二極管可有效限制加在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部晶體管上的電壓。如果輸入電壓與電源軌之差超過了二極管壓降(通常為0.7V)，則二極管將開始傳導(dǎo)電流并限制電壓。但是，箝位二極管同樣會(huì)出現(xiàn)電流泄漏，在設(shè)計(jì)模擬輸入電路時(shí)必須考慮這個(gè)問題。盡管這個(gè)泄漏電流通常都較小，也許只有幾皮安培，但該電流會(huì)隨著溫度升高而按比例大幅增加。

隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器的持續(xù)發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能充分理解所采用的輸入結(jié)構(gòu)以及這種結(jié)構(gòu)對(duì)外部電路的影響已經(jīng)變得越來越重要。本文對(duì)一個(gè)簡單的開關(guān)電容器輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討。開關(guān)電流要求可顯著影響系統(tǒng)的總體性能，而外部電路必須進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。一個(gè)集成的緩沖器或放大器可以大幅減小開關(guān)電流，從而簡化模數(shù)轉(zhuǎn)換器外部的電路設(shè)計(jì)。ESD保護(hù)電路也將會(huì)影響外部電流要求，并且隨著溫度變化對(duì)電流的影響也不一樣。

作者：Kevin Tretter，模擬和接口產(chǎn)品部高級(jí)產(chǎn)品市場營銷工程師
Email: Kevin.Tretter@microchip.com
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