作者：Kendall Castor-Perry

在一些關(guān)于驅(qū)動(dòng)采樣ADC的文章中，談到了電阻和電容影響輸入端的穩(wěn)定性。這個(gè)問(wèn)題能被提出來(lái)是好事，但在我看來(lái)，處理方式似乎總是有點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)主義，卻并沒(méi)解釋那些經(jīng)驗(yàn)從何而來(lái)。你們都想知道原因的，對(duì)吧？這里是我多年前做過(guò)的一些仿真試驗(yàn)，相信可以對(duì)此作出一些解釋。

高速ADC將輸入電壓采樣到內(nèi)部電容上，因此存在充電電流。在為電荷轉(zhuǎn)移保留的一小段采樣周期時(shí)間內(nèi)，必須獲取快速變化的輸入電壓以實(shí)現(xiàn)高精確度。輸入端子和采樣開(kāi)關(guān)之間通常沒(méi)有緩沖。因此，電荷流的時(shí)域性能由內(nèi)部電容器和充電電流通路（包括芯片外部和內(nèi)部）的阻抗之間形成的時(shí)間常數(shù)來(lái)確定。

充電過(guò)程不是由ADC設(shè)計(jì)人員或數(shù)據(jù)表編寫(xiě)人員控制的。如果外部阻抗影響充電波形（讀數(shù)器亦如此）的穩(wěn)定性，則可能阻礙輸入電壓在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到足夠的精度。與電平和斜率相關(guān)的誤差也會(huì)隨之出現(xiàn)，甚至在低頻輸入信號(hào)上出現(xiàn)增益和線性問(wèn)題。

這樣的ADC作為一個(gè)采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)卻不適合做連續(xù)瞬態(tài)分析——這真讓人驚訝！然而，采樣周期內(nèi)的充電完全可以由等效輸入網(wǎng)絡(luò)對(duì)表示時(shí)鐘的電壓階躍輸入的響應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)。用時(shí)鐘作為輸入信號(hào)，在時(shí)域中將組合的外部和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)仿真為濾波器（嘿，想到這一點(diǎn)了嗎？），便可檢查外部元件的影響。這種方法在下一個(gè)時(shí)鐘邊緣之外是不準(zhǔn)確的——但如果到那時(shí)系統(tǒng)還未穩(wěn)定下來(lái)，那這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)完全不準(zhǔn)確。

等效電路如圖1所示，它源自一款現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)過(guò)時(shí)的Burr-Brown ADC的原理圖，其中有一個(gè)拓?fù)涓淖円苑奖惴抡妫粗匦掳才盘菪坞娐返淖詈笠粋€(gè)分支，讓2pF采樣電容接地；而且，整個(gè)電路是這個(gè)差分電路的單端等效電路。與外部元件相比，內(nèi)部細(xì)節(jié)影響不大。

圖1：基本電路分析。

對(duì)于80MHz轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，輸入為5MHz方波是較慢的采樣速率，這說(shuō)明外部元件值雖然看起來(lái)合理，但也可能導(dǎo)致不好的穩(wěn)定性。文中的圖顯示了采樣電容器上電壓的穩(wěn)定性。忽略三個(gè)時(shí)鐘周期中的第一個(gè)（仔細(xì)觀察它與其它周期的細(xì)微差別），我并沒(méi)有讓電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，好吧，這是我的錯(cuò)。

這里展示了對(duì)三個(gè)參數(shù)的掃描：電容Cextx2、串聯(lián)電阻Rext和緩沖器Lopeff的有效電感（類似積分器的放大器噪聲增益帶寬將其輸出電阻Ropol轉(zhuǎn)換為電感）。

布局電感包括在內(nèi)，但源阻抗的電感元件完全由驅(qū)動(dòng)放大器的上升閉環(huán)輸出阻抗支配。改善這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性的主要原因是使用了寬帶放大器，而不是放大器輸出級(jí)能有效驅(qū)動(dòng)ADC不良輸入阻抗這類略而不證的斷言。現(xiàn)在開(kāi)始掃描。首先是電容Cextx2（圖2）：

圖2：在3pF和300pF之間掃描輸入電容（最慢速度）。

隨著電容器數(shù)值的增加，波形受到的阻尼效果變得更好，但穩(wěn)定所需的時(shí)間卻更長(zhǎng)。這里，Rext=30Ω，Lopeff=160nH（對(duì)應(yīng)具有100Ω開(kāi)環(huán)Ropol和100MHz噪聲增益帶寬的放大器）。無(wú)論通過(guò)什么方法來(lái)改善實(shí)際波形，增大電容都將延長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間。所以對(duì)于高速系統(tǒng)，應(yīng)該使該電容盡可能小。接下來(lái)，我們掃描電阻Rext（圖3）：

圖3：在3Ω和300Ω之間掃描外部電阻（最慢速度）。

掃描該電阻會(huì)改變外部RC時(shí)間常數(shù)，但由于串聯(lián)電壓下降，增大Rext比增大Cextx2具有更顯著的效果。這里Cextx2=30pF，Lopeff=160nH。增大電阻值改善了在輸入端形成的諧振電路阻尼，特別是當(dāng)輸入電容值較小時(shí)，但這同時(shí)也降低了系統(tǒng)速度。由于源電感增加（即運(yùn)算放大器的噪聲增益帶寬減小），電阻器數(shù)值也需要增大，以保持較好的采集波形。

現(xiàn)在來(lái)看看電感——實(shí)際上我們是掃描放大器的GBW。圖4顯示了將放大器的噪聲增益帶寬從1000MHz降低到10MHz的影響，此時(shí)Rext=30Ω，Cextx2=30pF。如同所預(yù)料的，使用較慢的運(yùn)算放大器顯著延長(zhǎng)了穩(wěn)定所需的時(shí)間。此外，較大的過(guò)沖可能會(huì)導(dǎo)致輸入極問(wèn)題。

圖4：在16nH和1600nH之間掃描有效的源電感（最慢速度）。

隨著運(yùn)算放大器GBW的降低，干凈采集時(shí)間（采用最恰當(dāng)?shù)腞ext和Cextx2）也會(huì)增加，這表明較慢的緩沖放大器可能根本無(wú)法以所需的速度實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確采集。波形的變化表明，如果三個(gè)主要外部元件中任意一個(gè)的值固定不變（比如運(yùn)算放大器不能改變，或ADC有一個(gè)較大的Cin），就需要優(yōu)化其他兩個(gè)元件來(lái)獲得良好的性能。值得注意的是，這個(gè)固定值的選擇有可能根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的穩(wěn)定時(shí)間！

希望上面的分析能讓你明白問(wèn)題可能出現(xiàn)在哪里，以及如何在系統(tǒng)中查找問(wèn)題——親自嘗試一下吧！
編輯：hfy