中心議題：

• 選擇最佳放大器驅動(dòng)SAR模數轉換器

解決方案：      

• 采用單端類(lèi)型，并且必須將其轉換成差分信號
• 采用一個(gè)低噪聲、快速穩定的雙通道運算放大器
• 一種方法是完全跳過(guò)差分轉換

在本文中，我們在驅動(dòng)SAR(逐次逼近寄存器)ADC的情況下將考慮一下這些問(wèn)題。

SAR ADC在模數轉換器世界中被廣為使用。一般而言，這類(lèi)ADC介于高分辨率、低速Δ-Σ(增量累加)ADC和高速、較低分辨率的流水線(xiàn)型ADC之間。憑借其無(wú)延遲特性，在很多應用中，SAR ADC常常是比Δ-Σ ADC和流水線(xiàn)ADC更好的選擇，這些應用包括：具有多路復用信號的應用，在任意空閑周期之后需要實(shí)現準確首次轉換的應用(如自動(dòng)化測試設備)，以及ADC位于需要快速反饋的環(huán)路內的應用。
 　
在大多數情況下，傳感器的輸出都不能直接連接到SAR ADC的輸入。需要一個(gè)放大器來(lái)獲得最佳的SNR(信噪比)和失真性能。SAR ADC將輸入采樣至內部電容器上，并以逐次二進(jìn)制加權序列對輸入電壓與基準電壓進(jìn)行比較。當連接至采樣電容器的開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，由于采樣電容器與輸入節點(diǎn)的電 壓不匹配，電荷被注入輸入節點(diǎn)。在放大器和ADC之間放置了一個(gè)簡(jiǎn)單的單極RC濾波器。除了能夠濾除高頻噪聲和混疊分量，它還能夠幫助吸收這種注入電荷。 在為這種濾波器選擇截止頻率時(shí)，必須謹慎小心。截止頻率應該設定在足夠低的頻率上，這樣才能有效吸收注入電荷并濾除噪聲，但是頻率又要設定得足夠高，以使 放大器能夠在數據轉換器的采樣時(shí)間內達到穩定。因為單獨使用這種濾波器不足以抑制噪聲，所以在放大器輸入端，一般還包括一個(gè)截止頻率更低的濾波器(參見(jiàn)圖 1)。

圖1：LTC2379 18位1.8Msps差分輸入SAR ADC。

驅動(dòng)差分輸入SAR ADC

很多性能最高的SAR ADC都采用差分輸入，以最大限度地擴大低電源電壓的動(dòng)態(tài)范圍。圖1所示的LTC2379-18就是這樣一個(gè)例子，該器件以2.5V的電源和高達5V的參 考電壓工作，以達到10V的峰-峰值差分輸入范圍。如果輸入信號已是差分信號，那么，僅采用一個(gè)低噪聲、快速穩定的雙通道運算放大器(例如LT6203) 也許就能完全滿(mǎn)足緩沖信號并驅動(dòng)ADC的需求。將這類(lèi)放大器配置為單位增益緩沖器，可以為輸入信號提供高阻抗的輸入端。

不過(guò)，在很多情 況下，輸入都采用單端類(lèi)型，并且必須將其轉換成差分信號。用諸如LT6350的放大器可以很容易地完成這一任務(wù)。這類(lèi)放大器由兩級組成：第一級產(chǎn)生一個(gè)非 倒相緩沖輸入信號，第二級產(chǎn)生倒相輸出。如果輸入信號已經(jīng)與ADC的輸入范圍相匹配，那么，這個(gè)放大器就可以用來(lái)為信號提供一個(gè)高阻抗的緩沖器，如圖2a 所示。如果信號需要被縮放和移位，以達到與ADC的輸入范圍相匹配，那么，就可以采用圖2b所示的方法去做。在這個(gè)例子中，單端的±10V信號被轉換成 0~5V的差分信號(R2和R3用來(lái)為信號移位，RIN和R1用于縮放信號)。在精確的模擬電路中常被忽視的事情是，增益設定和電平移位電阻器之間需要高 度匹配。若采用精度為0.1%的分立式電阻器，則會(huì )出現隨著(zhù)時(shí)間、溫度和共模電壓范圍而變化的失配，失配程度之高很可能使其成為電路誤差的主要來(lái)源。使用 如LT5400的精確匹配電阻器將有助于減輕這個(gè)問(wèn)題。

圖2：利用LT6350進(jìn)行單端到差分轉換

放大器在電源電壓和輸出電壓之間需要留有余地。為了保持最佳的精確度和線(xiàn)性度，輸出電壓一般必須比電源軌電壓低出0.5V或者更多，具體情況視放大器而定。這意味著(zhù)，必須給放大器提供比ADC輸入范圍更寬的電源電壓，或者ADC必須從放大器接受一個(gè)受限的輸入范圍。某些ADC(如LTC2379-18) 具有“數字增益壓縮”功能，該功能在內部設定ADC的滿(mǎn)刻度與地及參考電壓均相差0.5V。這允許使用單一5V供電的放大器與ADC的滿(mǎn)刻度匹配。

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驅動(dòng)偽差分ADC

將單端模擬信號轉換為數字信號時(shí)，另一種方法是完全跳過(guò)差分轉換，而使用新型LTC2369-18等偽差分ADC代之。但這將因為輸入范圍變小，而付出 失去多達6dB信噪比的代價(jià)。此外，差分架構在本質(zhì)上更易于消除偶次諧波。然而，堅持使用單端架構也有一些重要優(yōu)點(diǎn)：驅動(dòng)電路更加簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)單到僅使用 一個(gè)諸如LT6202的低噪聲快速穩定的運算放大器。無(wú)需采用第二個(gè)運算放大器和多個(gè)電阻器來(lái)創(chuàng )建倒相輸入。除了用到較少的元器件，該電路在本質(zhì)上還具有 更低的功耗以及噪聲。因為噪聲較低，抗混疊濾波器跟隨在放大器之后，可以有更高的截止頻率。這使得放大器能夠更容易地在A(yíng)DC轉換時(shí)間內實(shí)現穩定，從而令 其在逐次轉換有可能在整個(gè)滿(mǎn)刻度范圍內發(fā)生變化的應用中成為了很好的選擇，正如具有多路復用信號的情形一樣。

需要再次強調的是，必須考 慮放大器的余量，即電源電壓必須距離放大器的輸出擺幅足夠遠，以對信號進(jìn)行無(wú)失真驅動(dòng)。在大多數情況下，這意味著(zhù)必須為放大器提供負電壓軌。解決這個(gè)問(wèn)題 的一種方法是使用LTC6360之類(lèi)的產(chǎn)品。這種新型放大器(圖3)為驅動(dòng)SAR ADC而進(jìn)行了優(yōu)化，它具有一個(gè)超低噪聲集成充電泵，用于產(chǎn)生自己內部的負電壓軌。在僅使用單一正電源供電時(shí)，這樣便可允許輸出一直擺動(dòng)到地，甚至比地更 低一些。LTC6360提供了極好的精確度(250μV偏移電壓，2.3nV/√Hz噪聲)，同時(shí)還可快速穩定(150ns 穩定到16位)。

圖3：使用單電源時(shí)，LTC6360擺動(dòng)到真正的0V。

本文小結

有幾種放大器的拓撲結構可用來(lái)驅動(dòng)SAR ADC。最佳的選擇取決于輸入信號、ADC輸入架構和應用細節，例如輸入信號是否為多路復用信號。此外，還需要考慮包括功耗、復雜性、性能和速度(轉換速率和穩定時(shí)間)等權衡因素。