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作者：ADI首席模擬設計工程師Sanjay Rajasekhar、ADI設計評估工程師Arvind Shankar 多路復用SAR ADC通常用于需要不斷監測系統中多個(gè)關(guān)鍵變量的應用。在光通信應用中，可以通過(guò)光功率測量監測激光偏壓，而在VSM應用中可以監測來(lái)自電極的EEG/ECG信號。這些多路復用應用有一些共同的要求： ► 有很多通道需要監測。一般來(lái)說(shuō)，ADC會(huì )按順序監測所有通道。 ► 通道電壓通常彼此不相關(guān)。 ► 在系統尺寸和功耗方面存在嚴格的限制。 由于上述這些要求，設計人員會(huì )面臨一些挑戰。當ADC在一個(gè)通道上完成轉換時(shí)，ADC內的采樣電容會(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(guò)信號鏈設計，使采樣電容能夠在允許的采樣時(shí)間內準確地穩定在新電壓。過(guò)去通常是使用一個(gè)寬帶驅動(dòng)放大器，再配合一個(gè)RC濾波器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。典型的信號鏈如圖1所示。 
圖1.采用傳統多路復用SAR ADC的信號鏈 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，因為其它類(lèi)型的電容會(huì )造成明顯的失真。NP0電容線(xiàn)性度高，但密度低。選用的NP0電容也要比ADC內部采樣電容的值大得多。它執行兩個(gè)關(guān)鍵功能： ► 減少ADC采樣電容的反沖 ► 濾除所需穩定帶寬以外的噪聲，從而降低信號鏈的寬帶噪聲 在傳統的信號鏈中，每個(gè)通道必須使用驅動(dòng)放大器和大電容。每個(gè)驅動(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）可能占據約1mm2的電路板面積。如果多個(gè)通道都采用這種信號鏈，將非常不利于減小系統尺寸和降低功耗。這是當今多路復用SAR ADC應用中的主要問(wèn)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的輸入易于驅動(dòng)。 假設多路復用ADC正在通道N-1上轉換，下一個(gè)要轉換的通道是通道N。 在轉換啟動(dòng)(CNV)的上升沿，對通道電壓進(jìn)行采樣。在圖2中，CNV的第一個(gè)上升沿對通道N-1的電壓進(jìn)行采樣。然后ADC對通道N-1上的采樣電壓進(jìn)行轉換。轉換后，在禁用輸入高阻的情況下，ADC繼續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ADC電容充電，達到通道N的電壓水平。這會(huì )在通道N（深藍色虛線(xiàn)）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(lái)吸收沖擊，并且需要一個(gè)驅動(dòng)放大器來(lái)提供必要的電荷。
圖2.啟用和禁用高阻功能時(shí)AD4696的相位 當啟用輸入高阻時(shí)，會(huì )對ADC的內部采樣電容充電，使其達到將要采集通道的當前電壓水平，然后開(kāi)始真正的電壓采樣。在通道N-1上進(jìn)行轉換后，立即引入高阻相位，將ADC采樣電容精確充電到通道N的當前電壓水平。這意味著(zhù)，當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 )導致任何反沖。在實(shí)踐中，由于內部開(kāi)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采樣瞬間的穩定誤差幾乎可以忽略不計。在啟用高阻的情況下，這個(gè)電荷誤差將明顯改善系統的穩定動(dòng)態(tài)。 當通道N的采樣完成后，ADC必須繼續進(jìn)行轉換。因此，內部開(kāi)關(guān)將ADC的采樣電容與外部輸入斷開(kāi)。由于開(kāi)關(guān)打開(kāi)電荷注入，這會(huì )導致第二次電荷沖擊。通常情況下，第二次電荷沖擊的穩定時(shí)間較長(cháng)，所以第一次電荷沖擊的幅度決定了通道的穩定誤差。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(kāi)始電壓采樣時(shí)非常平穩。每個(gè)通道不再需要反沖吸收電容和驅動(dòng)放大器。這使得系統尺寸和功耗大幅減少，并且信號鏈明顯簡(jiǎn)化，如圖3所示。
圖3.采用AD4696多路復用SAR ADC的信號鏈 在A(yíng)D4696系列中實(shí)現輸入高阻有一個(gè)重要優(yōu)勢，就是執行高阻功能的電路都可以按轉換速率進(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(xiàn)性比例，如同核心SAR ADC本身一樣。與刻板的傳統信號鏈設計相比，這具有明顯的靈活性。 AD4696的LTspice模型中也內置了輸入高阻功能。對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鏈設計中的穩定偽影。 一些細節 回顧一下會(huì )發(fā)現，NP0電容還提供了信號鏈的寬帶噪聲濾波。如果想去除這個(gè)電容，就必須找到其它方法來(lái)濾除噪聲。實(shí)現相同的有效信號鏈噪聲帶寬的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是增加外部串聯(lián)電阻。AD4696有一個(gè)60pF的內部電容，與一個(gè)240Ω的典型內部電阻串聯(lián)。通過(guò)設置外部電阻，可以將信號鏈噪聲帶寬調整到目標值。 在沒(méi)有NP0電容的情況下，外部電阻對信號鏈的噪聲性能、線(xiàn)性度和精度起著(zhù)重要作用。小阻值電阻有助于快速穩定采樣電荷沖擊，從而提高線(xiàn)性度和精度，但更高的有效噪聲帶寬會(huì )導致整體噪聲增加。相反，大阻值電阻可以更好地濾除噪聲，但線(xiàn)性度和精度會(huì )降低。 正如下一節所述，AD4696采用高阻技術(shù)的主要優(yōu)勢，就是其允許使用大阻值電阻（從而實(shí)現更好地濾除噪聲），且不會(huì )降低線(xiàn)性度和精度。它支持對信號鏈中的所有參數進(jìn)行優(yōu)化，包括噪聲、線(xiàn)性度、精度、功耗和解決方案尺寸。 測量結果 在沒(méi)有任何NP0電容的情況下，用一個(gè)2kΩ的外部電阻進(jìn)行測量。結果顯示，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)驗中以1MSPS的速度運行AD4696的核心ADC，但選擇了更多的通道作為輪詢(xún)序列的一部分。數據都在一個(gè)通道上收集，而序列中其它通道的輸入電壓為0V。
圖4.THD與序列中通道數的關(guān)系。測試音：1kHz, –1dBFS 圖4顯示了1kHz、-1dBFS信號音下相關(guān)信道的失真性能。當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通道的電壓水平，因此會(huì )出現非線(xiàn)性穩定誤差。這會(huì )導致嚴重失真。啟用高阻后，失真性能有了很大的改善。
圖5.16位電平LSB中的直流穩定誤差 圖5顯示了有和沒(méi)有高阻功能的直流穩態(tài)建立誤差。在這個(gè)測試中，相關(guān)的通道具有接近滿(mǎn)量程的輸入值，序列中的其它通道驅動(dòng)電壓為0V。在相關(guān)通道上進(jìn)行轉換，同時(shí)將越來(lái)越多的通道添加到序列中，并繪制出平均輸出代碼與預期代碼的偏移。 當核心ADC以低于1MSPS的吞吐量運行時(shí)，用戶(hù)可能需要進(jìn)一步降低有效的信號鏈噪聲帶寬，來(lái)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。 結論 AD4696系列產(chǎn)品采用輸入高阻技術(shù)為多路復用SAR應用帶來(lái)了很大的優(yōu)勢，比如降低系統級功耗、減小尺寸和減少元件數量等，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(zhuān)用驅動(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，為系統級設計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(hù)希望設計的任何系統中電荷沖擊的影響。 致謝 作者在此感謝Asif Ahmad、Peter Hurrell和Tyler Schmitt對本文的貢獻。 關(guān)于作者 Sanjay Rajasekhar是ADI公司電子測試和測量部門(mén)的首席模擬設計工程師。他于2008年加入ADI公司，擁有印度NITK-Surathkal大學(xué)電子和通信工程學(xué)士學(xué)位。他專(zhuān)注于高精密SAR和Σ-Δ型ADC產(chǎn)品。 Arvind Shankar是ADI班加羅爾印度公司過(guò)程控制轉換器部門(mén)的員工設計評估工程師。他于2013年加入ADI公司，擁有印度果阿邦BITS-Pilani大學(xué)的電氣和電子工程學(xué)士學(xué)位和物理學(xué)碩士學(xué)位。 |
