隨著傳感器在各種終端市場中變得越來越豐富，對(duì)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 在內(nèi)的模擬信號(hào)調(diào)理的需求持續(xù)增長。整個(gè)傳感器市場預(yù)計(jì)將以超過 9% 的年復(fù)合增長率增長。終端市場包括各種物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用、工廠自動(dòng)化和控制、公共衛(wèi)生和安全、醫(yī)療保健和汽車領(lǐng)域的擴(kuò)展。對(duì)于 ADC，市場趨勢是向更高分辨率、更高速度的設(shè)備發(fā)展，因?yàn)榇祟惤鉀Q方案的成本變得更實(shí)惠。

顧名思義，ADC 驅(qū)動(dòng)器是專門設(shè)計(jì)用于與 ADC 一起工作的專用放大器，包括逐次逼近、流水線和基于 delta-sigma 的架構(gòu)。這些專用放大器是使 ADC 充分發(fā)揮功能的關(guān)鍵電路組件，并且隨著更高速、更高分辨率轉(zhuǎn)換器的擴(kuò)展而變得更加重要。

了解 ADC 輸入

在討論 ADC 驅(qū)動(dòng)器所需的技術(shù)功能之前，簡要概述當(dāng)今 ADC 的輸入架構(gòu)會(huì)很有幫助。差分信號(hào)可以定義為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)固定點(diǎn)附近具有相等但相反的信號(hào)，稱為共模電平。如圖 1所示，這兩個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)通常被稱為正和負(fù)——或同相和反相。

圖 1這是差分正弦波的樣子。資料來源：微芯片

在上述示例中，滿量程輸入電壓為 5 V 峰峰值差分，每條腿擺幅為 2.5 V 峰峰值。此示例中的共模電平為 2.5 V。當(dāng)今大多數(shù)高性能 ADC 都采用差分輸入架構(gòu)，因?yàn)樗峁┝藘?yōu)于單端輸入的性能。這些性能優(yōu)勢包括抑制共模噪聲和常見干擾信號(hào)的能力以及 6 dB（或 2 倍）的動(dòng)態(tài)范圍增加。

ADC 可能會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來特別艱巨的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗峁┝吮仨氃谙到y(tǒng)級(jí)考慮的各種不同的輸入采樣架構(gòu)。出于本次討論的目的，重點(diǎn)將放在使用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)來完成輸入采樣的 ADC 上。這種輸入結(jié)構(gòu)最基本的形式是由一個(gè)相對(duì)較小的電容和一個(gè)模擬開關(guān)組成，如圖 2所示。

圖 2一個(gè)簡單的開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)用于輸入采樣。資料來源：微芯片

當(dāng)開關(guān)配置在位置 1 時(shí)，采樣電容器被充電到采樣節(jié)點(diǎn)的電壓，在這種情況下為 V S。然后開關(guān)翻轉(zhuǎn)到位置 2，采樣電容器上的累積電荷隨后被轉(zhuǎn)移到采樣電路的其余部分。然后該過程重新開始。

無緩沖的開關(guān)電容輸入，如上文所述，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)級(jí)問題。將采樣電容器充電至適當(dāng)電壓所需的電流必須由連接到 ADC 輸入的外部電路提供。當(dāng)電容器切換到采樣節(jié)點(diǎn)（圖 2 中的開關(guān)位置 1）時(shí)，將需要大量電流來開始對(duì)電容器充電。該瞬時(shí)電流的大小是采樣電容器的大小、電容器切換的頻率以及采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓的函數(shù)。這個(gè)開關(guān)電流可以用下面的公式來描述：

其中C是采樣電容器的電容，V是采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓（在本示例中表示為 V S），f是采樣開關(guān)打開和關(guān)閉的頻率。如圖 2 所示，此開關(guān)電流會(huì)在采樣節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生高電流尖峰。

在設(shè)計(jì) ADC 前面的模擬電路時(shí)，必須考慮這種開關(guān)電流的影響。當(dāng)輸入電流通過任何電阻時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)電壓降，從而導(dǎo)致 ADC 的采樣節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓誤差。如果輸入節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)采樣周期之前沒有完全穩(wěn)定，也會(huì)發(fā)生失真。

解決方案：ADC 驅(qū)動(dòng)程序

保持所需的傳感器信號(hào)完整性以充分利用這些更高分辨率、更高速度的 ADC 變得非常具有挑戰(zhàn)性。隨著 ADC 的分辨率和速度增加，傳感器信號(hào)的噪聲和失真影響變得更加明顯。在更高的 ADC 采樣速度下，必須注意確保輸入信號(hào)在采樣事件之前已經(jīng)穩(wěn)定，并且更高帶寬的信號(hào)不會(huì)混疊回感興趣的信號(hào)帶寬。

為了克服這些信號(hào)調(diào)節(jié)挑戰(zhàn)，許多 ADC 應(yīng)用需要一個(gè) ADC 驅(qū)動(dòng)器，以提供足夠的穩(wěn)定和抗混疊。如上所述，大多數(shù)現(xiàn)代 ADC 都采用差分輸入架構(gòu)。ADC 驅(qū)動(dòng)器的主要功能之一是提供輸入信號(hào)的單端到差分轉(zhuǎn)換，盡管它們也可以輕松處理差分輸入信號(hào)。

ADC 驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)功能是緩沖輸入信號(hào)，從而將其余電路與 ADC 輸入節(jié)點(diǎn)上的電荷注入隔離開來。ADC 驅(qū)動(dòng)器提供瞬時(shí)充電，以確保采樣節(jié)點(diǎn)在跟蹤時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，從而最大限度地減少與穩(wěn)定相關(guān)的任何失真。必須注意 ADC 驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)換器的板級(jí)布局，以確保從驅(qū)動(dòng)器輸出到 ADC 輸入的走線電阻最小。

大多數(shù) ADC 驅(qū)動(dòng)放大器還提供一個(gè)硬件引腳，使用戶能夠?qū)材ｋ妷哼M(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。此功能非常適合確保生成的差分信號(hào)位于 ADC 的輸入電壓范圍內(nèi)，從而最大化動(dòng)態(tài)范圍。隨著工作電壓繼續(xù)趨于降低，動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于確保輸入信號(hào)的全分辨率變得更加關(guān)鍵。

最后，與大多數(shù)放大器組件類似，ADC 驅(qū)動(dòng)器可以提供輸入信號(hào)的放大以及有源濾波。應(yīng)該注意的是，大多數(shù) ADC 驅(qū)動(dòng)器的增益都相對(duì)較低，通常只有 1 或 2 V/V 的增益。通過保持放大器的低閉環(huán)增益，可以最大化環(huán)路增益，從而實(shí)現(xiàn)最低失真。例如，如果一個(gè)放大器的開環(huán)增益為 100 dB，并且配置為 200 或 46 dB 的閉環(huán)增益，則只留下 54 dB 的開環(huán)增益裕度來確保線性度，或者大約是其中的一部分在 500 中。因此，通常在靠近信號(hào)源的位置設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的增益級(jí)，以最大限度地提高信噪比。

充分利用 ADC

傳感器在各種終端市場中的普及使人們更加關(guān)注信號(hào)調(diào)理電路。隨著高分辨率和高速 ADC 的成本不斷降低，實(shí)現(xiàn)這種性能改進(jìn)變得更具挑戰(zhàn)性。

為了充分利用您的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，ADC 驅(qū)動(dòng)器對(duì)于優(yōu)化性能至關(guān)重要，同時(shí)為源信號(hào)添加可忽略不計(jì)的失真、噪聲和建立時(shí)間誤差。MCP6D11差分驅(qū)動(dòng)器等專用器件專為最大限度提高高速、高分辨率 ADC 的性能而設(shè)計(jì)。

Kevin Tretter 是 Microchip Technology Inc. MSLD 業(yè)務(wù)部門的高級(jí)產(chǎn)品營銷經(jīng)理。