市場(chǎng)上的大多數高精度模數轉換器都具有一個(gè)電容性‘采樣與保持’片上放大器，其需要在每次轉換前進(jìn)行再充電。因此，通常采用外部運算放大器。不幸的是，采樣電容器會(huì )降低放大器的穩定性，因此，放大器會(huì )在其輸出顯示低電平振鈴。從而很難在非常短的時(shí)間內（400毫微秒）為采樣電容器進(jìn)行再充電使其達到非常高的精度 （40 V）。本文將對此問(wèn)題進(jìn)行解釋?zhuān)⒄f(shuō)明如何優(yōu)化模擬前端。

 

大部分模數轉換器的輸入均可連接到采樣電容器。在進(jìn)行轉換之前，電容器充電可達到輸入電壓（參見(jiàn)圖1a）。輸入開(kāi)關(guān)關(guān)閉。在t0時(shí)，通過(guò)打開(kāi)輸入開(kāi)關(guān)保持信號（圖1b）?，F在，轉換器可以處理信號了。電容器（包括開(kāi)關(guān)）通常稱(chēng)為‘采樣與保持階段。

模數轉換器的設計人員必須確定此電容器的容量。電容器容量越大，采樣噪聲（kT/C噪聲）越低。不過(guò)，電容器需要在轉換器的采樣期間（采集時(shí)間）再充電。以下例子說(shuō)明進(jìn)行此操作的難度。

 

德州儀器公司 （TI） 推出的 ADS8361 是一款 500kHz的16 位模數轉換器。其采樣電容器的容量是20pF，采集時(shí)間大約為 400 ns。信號應至少建立到最低有效位 （LSB） 大小的一半，其可以根據滿(mǎn)量程 （FSR） 進(jìn)行計算：

 

1 LSB = FSR / 216

 

也可以使用此數據計算再充電過(guò)程所需的帶寬 （f3dB）：在采集時(shí)間內 （Ta=400ns），運算放大器必須建立到 LSB 的一半，對于16位轉換器來(lái)說(shuō)，其為滿(mǎn)量程 （FSR）） 的1/216+1。如果輸入信號Vin 在一次轉換期間根據FSR改變到下一次轉換，而且再充電是一階指數曲線(xiàn)的話(huà)，則在電容器（Vc）的輸入端收到以下電壓：

 

 

如果驅動(dòng)運算放大器的輸出電流受到限制，則建立與時(shí)間不是指數關(guān)系，而是時(shí)間線(xiàn)性關(guān)系，運算放大器轉換（圖2）。這會(huì )增加建立時(shí)間。

 

圖2：再充電電容性負載運算放大器的建立行為 （Settling behaviour）

 

再次假設兩次轉換輸入信號的變量是滿(mǎn)量程。對于 ADS8361 來(lái)說(shuō)即為 5V。如果轉換采用一半采集時(shí)間，則運算放大器的轉換率 （SR） 必須至少為：

 

SR = 5V/0.2us=25V/us。

 

而且最大輸出電流必須大于：

 

 

不幸的是，大多數放大器都存在電容性負載方面的問(wèn)題。電容器旨在降低驅動(dòng)放大器的相位裕度，并使其變得不穩定。因此，放大器的輸出通常會(huì )出現某些振鈴（圖3）。

 

圖3：振鈴放大器的建立行為

 

其振鈴一般很小，使用示波器不能觀(guān)察到，但是利用模數轉換器可以測量到。因此，DC 輸入電壓需要被施加到驅動(dòng)運算放大器。在轉換器的輸入代碼隨不斷增加的采集時(shí)間振蕩時(shí)，則很可能放大器存在振鈴。

 

為了防止放大器產(chǎn)生振鈴，需要從電容器斷開(kāi)放大器。這可以通過(guò)在放大器與電容器之間放置電阻來(lái)實(shí)現（圖4）。

 

圖4：轉換器的模擬前端

 

電阻的最大值 （Rmax） 可以利用在式 （1） 中計算得到的時(shí)間常數τ來(lái)計算：

 

τ = Rmax * C

 

Rmax =τ/ C = 1.7k Ω

 

請注意，替代電阻可以使用 RC 組合。此情況下，必須為上式中的內部電容器 C 增加一個(gè)外部電容器 Cex。另外，需要增加模數轉換器的輸入電阻 （ADC），其在大部分情況下都可以被忽略，因為轉換器的輸入電阻只有幾歐姆。

 

此電阻可以帶來(lái)其他優(yōu)勢，只要最大輸出電流高于以下值，放大器就不會(huì )再轉換：

 

Imax = FSR/R （= 5V/1.7k = 2.90mA）。 （3）

 

這使其建立行為更具有可預測性。

 

如果諧波失真 （THD） 是應用的重要規范的話(huà)，則最大電阻可能會(huì )受到應用的限制。

 

電阻器與采樣電容器共同構成了一個(gè)低通濾波器。因此，在模數轉換器的輸出代碼中只能看到低于公式 （2） 所計算的3dB頻率的系統噪聲的頻譜。

 

另外，驅動(dòng)放大器也會(huì )增加應用的噪聲。為了確保其噪聲不高于系統噪聲，其總的均方根噪聲應小于轉換器的噪聲。假設轉換器的均方根噪聲大約為 30uV。其與180uV 的峰至峰噪聲相關(guān)（大約 ADS8361的2.5LSB）。利用公式 （2） 所計算的4.7MHz 帶寬，放大器的噪聲應該低于：

 

噪聲 = 30uV/sqrt （4.7MHz） = 13.8nV/sqrt （Hz）

 

請注意，這只是一種粗略估算。由于低通濾波器只以20dB/十進(jìn)制降低，使用模數轉換器可以看到某些高于 3dB 的噪聲。為了更好的估算，頻率需要乘以 1.5。另外， ADS8361 具有差分輸入。因此，會(huì )在正、負輸入端注入噪聲，其在算式中增加一個(gè) sqrt（2） 因數：

 

噪聲 = 30uV/（sqrt（2）*sqrt （4.7MHz*1.5） = 8nV/sqrt （Hz）。 （4）

 

此噪聲與放大器的帶寬無(wú)關(guān)（如果其帶寬高于 3dB））。

 

對于 ADS8361 來(lái)說(shuō)，可以使用 TI的 OPA227 放大器，為了增加裕度，外部電阻應低于 1.7kΩ（大約 1.2kΩ）。目前，放大器的統一增益帶寬應等于或大于 RC （f3dB， RC = 1/（2πRC） = 6.6MHz） 3dB。最大輸出電流應至少為 4.2mA（公式（3）），噪聲應低于 6.7nV（公式（4））。OPA227 可以滿(mǎn)足所有要求，并且以合理的價(jià)格提供卓越的偏移。OPA227 還可以為差分輸入或多信道應用提供雙運放或四運放版本。

 

模數轉換器需要合適的模擬前端。如果不細心選擇的話(huà)，就有可能增加噪聲，出現低電平振蕩，偏移會(huì )改變，而且也會(huì )影響線(xiàn)性。本文為優(yōu)化模擬前端提供了指南，包括放大器的外部電阻、帶寬及噪聲。重要的是要牢記，某些應用可能會(huì )存在一些在這里沒(méi)有考慮到的非常特殊的要求。