中心議題：

• 選擇最佳放大器驅(qū)動SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器

解決方案：      

• 采用單端類型，并且必須將其轉(zhuǎn)換成差分信號
• 采用一個低噪聲、快速穩(wěn)定的雙通道運算放大器
• 一種方法是完全跳過差分轉(zhuǎn)換

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，并以逐次二進制加權(quán)序列對輸入電壓與基準(zhǔn)電壓進行比較。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。

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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，以對信號進行無失真驅(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)

有幾種放大器的拓撲結(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。