你查過網(wǎng)上有多少關(guān)于“ADC緩沖設(shè)計(jì)”的文章嗎？答案是400多萬篇，在這么多參考文獻(xiàn)中很難找到我們需要的東西。對于大多數(shù)模擬和混合信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師來說，這可能并不奇怪，因?yàn)樵O(shè)計(jì)無緩沖模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的外部前端需要耐心和大量建議。常被認(rèn)為是一種藝術(shù)形式，是經(jīng)過多年探索掌握了它的竅門的古怪大師的儲備。對于沒有經(jīng)驗(yàn)的人來說，這是一個(gè)反復(fù)嘗試的令人沮喪的過程。很多時(shí)候，由于很多相互關(guān)聯(lián)的規(guī)范，設(shè)計(jì)師要做出很多取舍(和評價(jià))才能做到最好效果。
挑戰(zhàn)
放大器級的設(shè)計(jì)由兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的不同級組成，因此很難對問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，尤其是因?yàn)檫@兩個(gè)級之間存在非線性因素。第一步是選擇用于緩沖傳感器輸出和驅(qū)動ADC輸入的放大器。第二步是設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，減小輸入帶寬，使帶外噪聲最小。
理想的放大器是提供剛好合適的帶寬，以正確緩沖傳感器或發(fā)射器產(chǎn)生的信號，而不會增加額外的噪聲，功耗為零，但實(shí)際放大器遠(yuǎn)非如此。大多數(shù)情況下，放大器規(guī)格將決定整體系統(tǒng)性能，尤其是噪聲、失真和功耗。要更好地理解問題，第一步是了解離散時(shí)間ADC的工作原理。
離散時(shí)間ADC獲取連續(xù)時(shí)間模擬信號的樣本，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。當(dāng)信號被采樣時(shí)，根據(jù)模擬轉(zhuǎn)換器的類型，存在相同固有問題的兩種不同情況。
SAR ADC集成了一個(gè)采樣保持電路，采樣保持電路基本上由一個(gè)開關(guān)和一個(gè)電容組成，它的作用是將模擬信號保持到轉(zhuǎn)換完成，如如圖1所示。
離散時(shí)間-型ADC或過采樣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了類似的輸入級，即具有一定內(nèi)部電容的輸入開關(guān)。-型ADC的采樣機(jī)制略有不同，但采樣輸入架構(gòu)相似。開關(guān)和電容用于保存模擬輸入信號的副本。
在這兩種情況下，開關(guān)都是用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，閉合時(shí)電阻為非零，通常是幾歐姆，這種串聯(lián)電阻和采樣電容(pF級)的結(jié)合，意味著ADC輸入帶寬往往很大，很多情況下遠(yuǎn)大于ADC采樣頻率。
帶寬問題
對于轉(zhuǎn)換器來說，輸入信號帶寬是一個(gè)問題。在采樣理論中，我們知道高于奈奎斯特頻率(ADC采樣頻率的一半)的頻率信號應(yīng)該被去除，否則這些頻率信號將在目標(biāo)頻帶中產(chǎn)生鏡像或混疊。通常，噪聲頻譜中相當(dāng)大的功率存在于高于模數(shù)轉(zhuǎn)換器奈奎斯特頻率的頻帶中。如果不處理該噪聲，它將混疊到奈奎斯特頻率以下，這將增加本底噪聲(如如圖2所示)，并顯著降低系統(tǒng)的動態(tài)范圍。
ADC輸入信號帶寬和緩沖器輸出帶寬是首先要解決的問題。為了確保噪聲不會混疊，必須限制模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入信號的帶寬。這不是一個(gè)小問題。
一般來說，放大器的選擇是基于大信號帶寬(即壓擺率)和增益帶寬積的規(guī)格，以應(yīng)對輸入信號的極端情況，這決定了ADC能夠跟蹤的變化最快的信號。
然而，放大器的有效噪聲帶寬等于小信號帶寬(通常考慮小于10 mV p-p的信號)，通常至少比大信號帶寬高4到5倍。
換句話說，如果500 kHz選擇大信號規(guī)格，小信號帶寬很容易達(dá)到2 MHz或3 MHz，可能導(dǎo)致ADC采集大量噪聲。因此，在將模擬信號輸入ADC之前，小信號的帶寬應(yīng)受到外部限制，否則測得的噪聲將是ADC數(shù)據(jù)手冊規(guī)格的三到四倍。
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2020-12-04 11:07:49
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