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

SAR ADC在模數(shù)轉(zhuǎn)換器世界中被廣為使用,。一般而言，這類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型ADC之間。憑借其無延遲特性,，在很多應(yīng)用中,，SAR ADC常常是比Δ-Σ ADC和流水線ADC更好的選擇，這些應(yīng)用包括：具有多路復(fù)用信號的應(yīng)用,，在任意空閑周期之后需要實現(xiàn)準(zhǔn)確首次轉(zhuǎn)換的應(yīng)用(如自動化測試設(shè)備),，以及ADC位于需要快速反饋的環(huán)路內(nèi)的應(yīng)用。

在大多數(shù)情況下，傳感器的輸出都不能直接連接到SAR ADC的輸入,。需要一個放大器來獲得最佳的SNR(信噪比)和失真性能,。SAR ADC將輸入采樣至內(nèi)部電容器上，并以逐次二進(jìn)制加權(quán)序列對輸入電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,。當(dāng)連接至采樣電容器的開關(guān)打開時,，由于采樣電容器與輸入節(jié)點的電壓不匹配，電荷被注入輸入節(jié)點,。在放大器和ADC之間放置了一個簡單的單極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,，必須謹(jǐn)慎小心。截止頻率應(yīng)該設(shè)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(shè)定得足夠高，以使放大器能夠在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)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，一般還包括一個截止頻率更低的濾波器(參見圖1),。



圖1：LTC2379 18位1.8Msps差分輸入SAR ADC,。

驅(qū)動差分輸入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(kuò)大低電源電壓的動態(tài)范圍,。圖1所示的LTC2379-18就是這樣一個例子,，該器件以2.5V的電源和高達(dá)5V的參考電壓工作，以達(dá)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，僅采用一個低噪聲,、快速穩(wěn)定的雙通道運算放大器(例如LT6203)也許就能完全滿足緩沖信號并驅(qū)動ADC的需求,。將這類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,，在很多情況下，輸入都采用單端類型,，并且必須將其轉(zhuǎn)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)。這類放大器由兩級組成：第一級產(chǎn)生一個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，這個放大器就可以用來為信號提供一個高阻抗的緩沖器,，如圖2a所示,。如果信號需要被縮放和移位，以達(dá)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。在這個例子中,，單端的±10V信號被轉(zhuǎn)換成0~5V的差分信號(R2和R3用來為信號移位,，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(shè)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，則會出現(xiàn)隨著時間,、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源。使用如LT5400的精確匹配電阻器將有助于減輕這個問題,。



圖2：利用LT6350進(jìn)行單端到差分轉(zhuǎn)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,，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受限的輸入范圍,。某些ADC(如LTC2379-18)具有“數(shù)字增益壓縮”功能,，該功能在內(nèi)部設(shè)定ADC的滿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的滿刻度匹配,。

驅(qū)動偽差分ADC

將單端模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時,，另一種方法是完全跳過差分轉(zhuǎn)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(dá)6dB信噪比的代價。此外,，差分架構(gòu)在本質(zhì)上更易于消除偶次諧波,。然而，堅持使用單端架構(gòu)也有一些重要優(yōu)點：驅(qū)動電路更加簡單,，可以簡單到僅使用一個諸如LT6202的低噪聲快速穩(wěn)定的運算放大器,。無需采用第二個運算放大器和多個電阻器來創(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ADC轉(zhuǎn)換時間內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定,，從而令其在逐次轉(zhuǎn)換有可能在整個滿刻度范圍內(nèi)發(fā)生變化的應(yīng)用中成為了很好的選擇，正如具有多路復(fù)用信號的情形一樣,。

需要再次強(qiáng)調(diào)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(yuǎn),，以對信號進(jìn)行無失真驅(qū)動。在大多數(shù)情況下,，這意味著必須為放大器提供負(fù)電壓軌,。解決這個問題的一種方法是使用LTC6360之類的產(chǎn)品,。這種新型放大器(圖3)為驅(qū)動SAR ADC而進(jìn)行了優(yōu)化，它具有一個超低噪聲集成充電泵,，用于產(chǎn)生自己內(nèi)部的負(fù)電壓軌,。在僅使用單一正電源供電時，這樣便可允許輸出一直擺動到地,，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),，同時還可快速穩(wěn)定(150ns 穩(wěn)定到16位),。



圖3：使用單電源時，LTC6360擺動到真正的0V,。

本文小結(jié)

有幾種放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用來驅(qū)動SAR ADC,。最佳的選擇取決于輸入信號、ADC輸入架構(gòu)和應(yīng)用細(xì)節(jié),，例如輸入信號是否為多路復(fù)用信號,。此外，還需要考慮包括功耗,、復(fù)雜性,、性能和速度(轉(zhuǎn)換速率和穩(wěn)定時間)等權(quán)衡因素。