ADC分類選擇及其前端配置技術(shù)

ADC作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換器，它的應(yīng)用包括了音頻、工業(yè)流程控制、電源管理、便攜式／電池供電儀表、PDA、測試儀器分析及測試儀表、醫(yī)學(xué)儀表等領(lǐng)域。正因為它的用途如此廣泛，所以作系統(tǒng)設(shè)計人員首先迂到是如何選擇ADC，而選擇ADC又必須了解它的分類與特征，在這基礎(chǔ)上更要了解ADC前端設(shè)計技術(shù)，這樣才能實現(xiàn)工控或檢測系統(tǒng)的高可靠與高精度。本文將此作介紹分析。

1、基于架構(gòu)的ADC分類

ADC按某架構(gòu)分類有四大類，即Delta-Sigma( △∑ )ADC、逐次逼近型(SAR)ADC、大帶寬△∑ADC及智能型ADC。在此僅對三類作分析。

1.1Delta-Sigma( △∑ )ADC

?

基本架構(gòu)

△∑ADC由一個△∑調(diào)制器以及后序的數(shù)字抽樣濾波器組成。 調(diào)制器由一個帶DAC的反饋回路紐成，回路中包括了一個比較器及一個積分器?；芈吠ㄟ^時鐘同步?；窘M成架構(gòu)見圖1所示。

圖1

*特征

△∑轉(zhuǎn)換器擁有非常高的分辨率，可理想的用于轉(zhuǎn)換極寬頻率范圍(從直流到好幾個MHz)的信號。在△∑ADC中，輸入信號先通過一個調(diào)制器實現(xiàn)過采樣，而后由數(shù)字濾波器所產(chǎn)生的、采樣率較低的高分辨率數(shù)據(jù)流完成濾波及抽取。

△∑的架構(gòu)模式允許犧牲分辨率來換取速度，或同時折衷換取速度及功耗。正是數(shù)據(jù)率、分辨率、功耗三者之間密切且不間斷的聯(lián)系，使得△∑轉(zhuǎn)換器格外的靈活。在很多△∑轉(zhuǎn)換器中，分辨率是可編程設(shè)定的，從而使單個器件能滿足多個不同度量的需求。

△∑轉(zhuǎn)換器對輸入過采樣，因而能在數(shù)字域完成大多數(shù)的反鋸齒濾波?，F(xiàn)代的超大型集成電路設(shè)計技術(shù)已經(jīng)使得復(fù)雜數(shù)字濾波器的成本遠(yuǎn)低于同等的模擬濾波器。原來不同尋常的某些功能，諸如對50Hz及60Hz的帶阻濾波，現(xiàn)在已經(jīng)內(nèi)置到很多的△∑ADC之中。

△∑轉(zhuǎn)換器的運作有別于逐次逼近型(SAR)轉(zhuǎn)換器。SAR轉(zhuǎn)換器獲得輸入電壓的一個“映像”，通過對“映像”的分析決定響應(yīng)的數(shù)字代碼。而△∑測量的是一段確定時間的輸入信號，其輸出響應(yīng)的數(shù)字代碼是根據(jù)信號的時間平均得來的。對于△∑的工作方式有清晰的認(rèn)識是很重要的，特別是對于設(shè)計中包含多路復(fù)用技術(shù)及同步的情況。

對多個△∑轉(zhuǎn)換器的同步并不困難，因此很容易實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器的同時刻采樣，而比較困難的則是實現(xiàn)△∑轉(zhuǎn)換器與外部事件的同步?！鳌妻D(zhuǎn)換器還對系統(tǒng)時鐘抖動(CIock iftter)有極高的抵抗能力。其過采樣功能有效的平均了抖動，降低了其噪聲影響。

*應(yīng)用

△∑的典型高精度應(yīng)用包括了音頻、工業(yè)流程控制、分析及測試儀表、醫(yī)學(xué)儀表。

近期ADC架構(gòu)領(lǐng)域的革新帶來了新一代的ADC架構(gòu)，此架構(gòu)同時采用了流水線及過采樣率準(zhǔn)則。因此，超高速轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)率推向了MSP5(百萬抽樣率每秒)的級別，同時保持了16位甚至更高的精度。這樣的速度支持了眾多最新的大帶寬信號處理應(yīng)用，例如通信及醫(yī)學(xué)成像。

1.2大帶寬△∑ADC特征

大帶寬△∑ADC具有非常高的分辨率，可轉(zhuǎn)換覆蓋極寬頻率范圍的信號--從直流至若干MHz。采用此類ADC的系統(tǒng)將得益于其高速、高精度性能以及大帶寬(直流至5MHz)。此類ADC采用了多級的調(diào)制器架構(gòu)，從而提供了優(yōu)異的內(nèi)在穩(wěn)定性，并通過降低過采樣率(OSR)提高了信號量化噪聲比(SQNR)。此外，該高速的△∑轉(zhuǎn)換器具有非常強(qiáng)的系統(tǒng)時鐘抖動耐受性。過采樣的操作弱化了抖動，降低了噪聲的影響。速度及精度的結(jié)合可支持大帶寬信號處理的應(yīng)用。以用于生物醫(yī)學(xué)、臺架(bench)測試和測量以及通信應(yīng)用中先進(jìn)的科學(xué)儀表。

1.3逐次逼近型(SAR)ADC

*基本架構(gòu)

在SARADC內(nèi)部。數(shù)位是由單個高速、高準(zhǔn)確度比較器一位一位確定的，從MSB／最高有效㈣到LSB／最低有效62)。比較的坌過程是通過模擬輸入信號與DAC的輸出比較．而后根據(jù)比較結(jié)果。在DAC輸出端先前確定的數(shù)位的基礎(chǔ)上不斷的調(diào)整，使DAC輸出信號逐步逼近模擬信號．并最終完成轉(zhuǎn)換?；窘M成架構(gòu)見圖2所示。

圖2

*特征

逐次逼近存儲(SAR)轉(zhuǎn)換器是針對中等采樣速率的中高分辨率應(yīng)用常用的架構(gòu)。SARADC分辨率范圍從8位至18位不等，典型速度值低于10MSPS，擁有較低的功率損耗及小外形。SAR轉(zhuǎn)換器依照與平衡校準(zhǔn)類似的原理運作。在校準(zhǔn)時，未知重量被置于天平的一端，同時將已知重量添加置另一端，通過減少或添加(kept)直至兩端達(dá)到完美的平衡。未知重量可通過添加的已知總量的總數(shù)測量得出。在SAR轉(zhuǎn)換器中，輸入信號是未知量，通過采樣并保持。該電壓隨后將于連續(xù)的已知電壓比較，其結(jié)果由轉(zhuǎn)換器輸出。但與重量測量不同．轉(zhuǎn)換可通過電荷再分配技術(shù)在非常短的時間內(nèi)完成。

由于SAR AD C需要對輸入信號采樣，并將采樣值保持到轉(zhuǎn)換完成，其架構(gòu)并不產(chǎn)生對自然輸入信號的損耗，因此也并不要求輸入信號是連續(xù)的。這也使得SAR架構(gòu)可理想的用于轉(zhuǎn)換器前置多路復(fù)用器的應(yīng)用，或用于轉(zhuǎn)換器只需要每幾秒鐘測量一次的應(yīng)用以及對測量的耐久性有需求的應(yīng)用。在轉(zhuǎn)換時間保持不變得多種情況下，SAR架構(gòu)的轉(zhuǎn)換器較之流水線型或厶∑轉(zhuǎn)換器擁有更短的采樣至轉(zhuǎn)換延時。

*應(yīng)用

SAR轉(zhuǎn)換器是各類實時應(yīng)用的理想選擇，例如工業(yè)控制、電機(jī)控制、電源管理、便攜式／電池供電儀表、PDA(個人數(shù)字助理，也稱掌上電腦)、測試儀器及數(shù)據(jù)／信號采集。

2、關(guān)于寬帶ADC前端設(shè)計技術(shù)--驅(qū)動ADC的放大器配置技術(shù)

高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)“前端”的輸入配置設(shè)計對達(dá)到要求的系統(tǒng)性能至關(guān)重要。優(yōu)化總體設(shè)計取決于很多因素，包括應(yīng)用性質(zhì)、系統(tǒng)組成和ADC的結(jié)構(gòu)。以下僅就使用放大器影響ADC前端設(shè)計的一些重要的考慮作分析。

2.1首先要說明驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器的放大器配置技術(shù)的基本理念

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常需要在ADC前端前置放大器以緩沖輸入信號。由于采樣及轉(zhuǎn)換期間的容性充電及切換，使得絕大多數(shù)的現(xiàn)代ADC都具有復(fù)雜的輸入特征。該操作在ADC的輸入端所產(chǎn)生的瞬態(tài)電流將擾亂并扭曲精密的模擬輸入信號。而輸入放大器配置或伺服則可以在存在此類電流瞬變時提供一個穩(wěn)定、精確的信號。同時還可提供增益(或衰減)、電平切換、濾波以及其他信號調(diào)節(jié)能力。選擇輸入運算放大器需要進(jìn)行多方面考慮。通過直流精確性選取可大大縮小放大器選擇的范圍。所選的放大器必須具有足夠低的偏置電壓、偏置點電壓漂移、輸入偏置電流、噪聲等等，以滿足精確度的需求。但動態(tài)性能的特性的考慮，往往是選擇過程中最棘手的問題。因為放大器必須具有滿足要求的動態(tài)信號特性，。如多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求運算放大器具有卓越的動態(tài)性能。

*放大器配置技術(shù)的幾個指標(biāo)因素

時域問題--某些應(yīng)用要求放大器在輸入電壓變化的全刻度范圍內(nèi)都有精確的響應(yīng)。例如，多輸入系統(tǒng)的可能出現(xiàn)兩個相鄰輸入端的輸入電壓信號值都等于滿刻度值的情況。放大器及ADC必須在單個采樣周期內(nèi)對此類突然的全刻度變化做出響應(yīng)。

穩(wěn)定時間--通常用來描述放大器對大改變量的輸入信號響應(yīng)的能力(見圖3所示)輸出電壓與時間的特性曲線。

圖3

穩(wěn)定時間包括了取決于轉(zhuǎn)換速率的大信號周期以及取決于放大器帶寬的小信號穩(wěn)定周期。轉(zhuǎn)換時間因步長不同而各異。盡管只對特定的步長作了一般性的規(guī)定，但對于其它步長的穩(wěn)定時間還是可從單步的轉(zhuǎn)換期段推斷得出。

穩(wěn)定波形的小信號期段(small-signal portion)受到輸入放大器增益的影響。如果放大器被置為較高的增益，系統(tǒng)帶寬會下降，從而比例性的增加了穩(wěn)定波形的小信號期段。

頻域性能--許多ADC都被用于數(shù)字化動態(tài)波形，例如音頻。在此類系統(tǒng)中，快速的全刻度信號階變很少出現(xiàn)，甚至不可能碰到。因此，此類系統(tǒng)的優(yōu)劣一般以數(shù)字化信號的譜純凈度作為衡量準(zhǔn)則。支持此類應(yīng)用的放大器，應(yīng)帶有所需的防失真性能。許多放大器都采用了THD+N(總諧波失真+噪聲)進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)明。當(dāng)然也存在其它方面的衡量。所有這些衡量都采用純凈正弦波(或合成正弦波)，并測定輸入端不含有，而在輸出端出現(xiàn)的光譜內(nèi)容。

*放大器配置技術(shù)中的RC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

輸入放大器通常通過RC網(wǎng)絡(luò)連接到ADC，見圖4所示虛線框圖。

圖4

雖然常被稱為濾波器，但此類網(wǎng)絡(luò)實際上是因ADC輸入電路而產(chǎn)生的電流脈沖出現(xiàn)時的一個伺服”調(diào)速輪”(flywheel)。RC網(wǎng)絡(luò)電路的取值同時取決于放大器及ADC的特性，并經(jīng)常需要針 對特殊應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。最適宜的電容一般為ADC輸入電容值的10=+50倍。電阻值的選擇則應(yīng)當(dāng)滿足速度或應(yīng)用需求的帶寬的要求。

3、驅(qū)動ADC的放大器配置技術(shù)-實用舉例

3.1為什么選擇放大器，而不選擇變壓器？

放大器的性能限制比變壓器少。如果必須保持直流(DC)電平，就必須使用放大器，因為變壓器是固有的交流(AC)器件。另外，如果需要，變壓器可以提供電流隔離。放大器提供增益比較容易，因為放大器的輸出阻抗實質(zhì)上與增益無關(guān)。另一方面，變壓器的輸出阻抗與電壓增益呈平方關(guān)系增加--電壓增益取決于匝數(shù)比。放大器在通帶范圍內(nèi)提供平坦的響應(yīng)，而沒有由于變壓器寄生交互作用引起的紋波。

放大器通常產(chǎn)生的噪聲有多大？如何減少這些噪聲？

舉例考慮—個典型的放大器，例如ADA49371，如果設(shè)置增益G=1，那么輸出的噪聲譜密度在高頻部分是 ，與此頻帶可比的采樣速率為80MSPS的AD9446-802ADC的輸入噪聲譜密度是 。這里的問題是，放大器的噪聲帶寬等于ADC的全帶寬(中心頻率位于500MHz)，而ADC的噪聲又必須限制在第一奈奎斯特范區(qū)(40MHz)。在沒有濾波器的情況下，放大器的噪聲有效值是155μVrms，ADC的噪聲有效值是90μV。從理論上講，總系統(tǒng)的信噪比(SNR)降低了6dB。為了從實驗上證實這—點，用ADA4937驅(qū) 動的AD9446-80測量的SNR結(jié)果是76dBFS，本底噪聲是-118dB。如果改用變壓器來驅(qū)動AD9446-80，測量SNR結(jié)果足82dBFS。因此用放大器驅(qū)動ADC可將SNR降低6dB。

為了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之間加了一個濾波器。如果使用的是一個100 MHz的雙極點濾波器，放大器的總噪聲有效值變?yōu)?1 μV， 使ADC的信噪比僅降低3dB。使用雙極點濾波器改善了SNR達(dá)到79 dBFS，本底噪聲為-121dB。構(gòu)建雙極點濾波器的方法是放大器的每個輸出引腳都串聯(lián)一個24Ω的電阻器和一個30 nH的電感器并且差分連接一個47pF的電容器，見圖5所示的使用外接雙極點噪聲濾波器的ADA4937放大器驅(qū)動AD9446-80ADC原理圖。

圖5

3.2驅(qū)動（△∑ )ADC的放大器配置技術(shù)

*輸入緩沖器技術(shù)

許多△∑轉(zhuǎn)換器包含了輸入緩沖器及可編程增益放大器(PGA)。輸入緩沖器增加了輸入阻抗，允許直接連接高源阻抗的信號。可編程增益放大器增加了測量小信號時轉(zhuǎn)換器的精確度。橋接式傳感器就是在轉(zhuǎn)換器中利用了PGA優(yōu)勢的信號源的典型示例。

所有的ADC都需要一個基準(zhǔn)，對于高分辨率的轉(zhuǎn)換器來說，擁有一個低噪聲、低漂移的基準(zhǔn)是至關(guān)重要的。大多數(shù)的△∑轉(zhuǎn)換器都采用了差分基準(zhǔn)輸入。

*舉例--以新型橋接傳感器作為△∑ADC的模擬前端的ADS1230/32/34型△∑ADC芯片。

用于橋接傳感器的完全模擬前端ADS1230/32/34型△∑ADC芯片是分別為精密型20位及24位 △∑ADC，具有一個板載超低噪聲可編程增益放大器(PGA)及內(nèi)置振蕩器PGA支持用戶自選擇增益： 1、2。64、128。該ADC具有235位有效分辨率。由3階調(diào)制器及4階數(shù)字濾波器組成，支持10SPS及80SPS的數(shù)據(jù)率。器件的所有功能都可通過專用的I/O引腳控制，簡化了運轉(zhuǎn)模式。圖6為ADS1230結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖6

*主要特點

超低噪聲：10SP5時為17nVRMS(PGA=128)，80SP5時為44n nVRMS(PGA=128)V；增益為64時，無噪聲分辨率可達(dá)19．2位；優(yōu)異的50至60MHz抑制性能(于10SP5時)；單通道差分輸入為AD51230；雙通道差分輸入為AD51232；四通道差分輸入為AD51234；內(nèi)置溫度傳感器，有簡易的雙線串行數(shù)字接口；電源電壓范圍為2.7V至5.25V；封裝模式為：TSSOP-16封裝(AD51230)，TSSOP-24封裝(AD51232)，TSSOP-28封裝(AD51234)?？稍诤馄?、應(yīng)變測量與壓力傳感器及工業(yè)流程控制等設(shè)備上應(yīng)用。

3.2驅(qū)動逐次逼近型(SAR)ADC的放大器配置技術(shù)

現(xiàn)代的SAR ADC使用簡化的電容接受輸入信號的電壓充電。由于ADC存在輸入電容、輸入阻抗以及外部電路，因此需要一個穩(wěn)定時間使采樣電容的電壓與所測量的電壓等值。最小化外部電路的源阻抗是降低的穩(wěn)定時間的途徑之一，并同時確保了在ADC的采集時間內(nèi)輸入信號被準(zhǔn)確的獲取。但是，另一個更為棘手的設(shè)計約束則是SAR ADC輸入端所具有的、用以驅(qū)動電路的動態(tài)負(fù)載。

當(dāng)采用運算放大器驅(qū)動器驅(qū)動ADC輸入時，運算放大器必需能承載這樣的動態(tài)范圍，并在采集時間內(nèi)穩(wěn)定于所需要的精度范圍。

SAR ADC的基準(zhǔn)輸入回路也會給基準(zhǔn)電壓帶來相似的負(fù)載。盡管基準(zhǔn)電壓被認(rèn)為是非常穩(wěn)定的直流電壓，但ADC基準(zhǔn)輸入端所呈獻(xiàn)的動態(tài)負(fù)載使得這樣的目標(biāo)實現(xiàn)起來有了一定的難度。因此需要為基準(zhǔn)電壓配備緩沖電路，并且為此所使用的運算放大器應(yīng)與驅(qū)動ADC輸入端的運算放大器有著相似的要求。但實際上，此處對運算放大器的需求甚至要高于ADC輸入端，因為基準(zhǔn)輸入必需在一個時鐘周期內(nèi)都保持穩(wěn)定。部分轉(zhuǎn)換器將這樣的基準(zhǔn)緩沖放大器內(nèi)置于芯片中。在緩沖此類輸入時，采用具有低寬帶輸出阻抗的運算放大器是保持此類轉(zhuǎn)換器精確度的最好方法。