傳統(tǒng)ADC的前端設(shè)計

 

在本文中，"傳感器"和"輸入信號"可以互換使用，代表ADC信號鏈的任何類型的電壓輸入。ADC信號鏈的輸入信號可以是傳感器、來自某些源的信號或控制回路的反饋。眾所周知，在傳統(tǒng)的離散時間Sigma-Delta (DTSD) ADC和逐次逼近寄存器 (SAR) ADC中，輸入和基準(zhǔn)電壓源處的采樣網(wǎng)絡(luò)是開關(guān)電容負(fù)載。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電容給輸入充電；當(dāng)開關(guān)斷開時，電容保持采樣值。在每個采樣時鐘邊沿，當(dāng)開關(guān)重新將電容連接到輸入時，需要一個有限電流（稱為反沖電流）來將電容充電或放電到新的采樣值。該電流的曲線如圖1a所示。大多數(shù)傳感器和基準(zhǔn)電壓源IC無法驅(qū)動這種幅度的反沖電流，而如果直接與ADC接口，輸入信號或基準(zhǔn)電壓源有很大可能遭到破壞。避免這種破壞的已知解決方案之一是使用驅(qū)動緩沖放大器將輸入傳感器和基準(zhǔn)電壓源與ADC隔離開來。驅(qū)動放大器應(yīng)具有吸收這種反沖電流的能力，如圖1b所示。這導(dǎo)致需要高壓擺率和高帶寬放大器來支持所需的輸入充電/放電電流，并使反沖在一個采樣時間周期內(nèi)穩(wěn)定下來。這些嚴(yán)格的要求限制了可用于傳統(tǒng)ADC的輸入和基準(zhǔn)電壓源路徑的緩沖放大器的選擇。

 

圖1.(a) 傳統(tǒng)ADC的輸入和基準(zhǔn)電壓源上的反沖電流，(b) 通過緩沖器將反沖電流與輸入和基準(zhǔn)電壓源隔離。 

 

另一方面，輸入端需要低通抗混疊濾波器來確保高頻噪聲和干擾信號大幅衰減，使得當(dāng)它們因為目標(biāo)頻段的采樣而折回時，性能不會降低。當(dāng)前ADC信號鏈設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是要對相互對立的要求——混疊抑制和輸出穩(wěn)定——進(jìn)行微調(diào)。DTSD ADC的采用驅(qū)動器和抗混疊濾波器的前端設(shè)計如圖2所示。

 

輸入路徑由儀表放大器(in-amp)組成，儀表放大器將傳感器與全差分放大器(FDA)接口，后者最終驅(qū)動ADC。儀表放大器將輸入傳感器環(huán)境與ADC電路隔離開來。例如，傳感器的共模(CM)信號可能非常高（高達(dá)數(shù)十伏），但大多數(shù)FDA和ADC不支持這種高輸入共模電壓。一般的儀表放大器有能力支持寬輸入共模電壓，同時提供適合于FDA和ADC的輸出共模電壓。儀表放大器的另一個優(yōu)點是其具有高輸入阻抗。這意味著如果傳感器不能直接驅(qū)動FDA的輸入電阻，那么傳感器可以通過儀表放大器與FDA接口。FDA本身需要具有高帶寬和高壓擺率，以使輸出更快建立。FDA周圍需要構(gòu)建有源抗混疊濾波器(AAF)，以便抑制干擾信號。

 

對輸入或基準(zhǔn)電壓源的驅(qū)動器的要求相互沖突：一方面，快速建立需要高帶寬，但另一方面，噪聲和干擾信號的濾波需要低帶寬。在基準(zhǔn)電壓源路徑上，DTSD ADC信號鏈的前端設(shè)計如圖2所示，基準(zhǔn)電壓源IC連接到一個緩沖器，后者驅(qū)動ADC的基準(zhǔn)電壓源負(fù)載。設(shè)計中還有一個噪聲濾波器，用以截斷基準(zhǔn)電壓源IC和緩沖器的超出某一頻率的噪聲。此濾波器的設(shè)計要求將在后文討論?；鶞?zhǔn)電壓源緩沖器具有高帶寬和高壓擺率要求，以便更快地平息采樣事件干擾。

 

本系列文章的第1部分已說明，使用精密CTSD ADC的新信號鏈可以比傳統(tǒng)ADC的復(fù)雜信號鏈小68％。這種尺寸縮減可減少BOM，而且簡單的設(shè)計有助于信號鏈設(shè)計人員加快產(chǎn)品上市。

 

CTSD ADC的優(yōu)勢：正輸入和基準(zhǔn)電壓源

 

第2部分向信號鏈設(shè)計人員解釋了CTSD ADC架構(gòu)，即采用非常規(guī)方法來反轉(zhuǎn)閉環(huán)放大器。如第2部分所述，可以將CTSD ADC視為具有阻性輸入和基準(zhǔn)電壓源負(fù)載的Sigma-Delta ADC。輸入和基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)是簡單的阻性負(fù)載，這意味著沒有高帶寬或高壓擺率驅(qū)動要求。第3部分展示了CTSD的獨特優(yōu)勢，其固有的混疊抑制能力可抗干擾。在傳統(tǒng)信號鏈設(shè)計中，需要外部混疊抑制濾波器來衰減干擾信號，這是一個額外的挑戰(zhàn)，但CTSD ADC不需要外部AAF。由于CTSD ADC的固有混疊抑制特性，調(diào)制器環(huán)路的信號轉(zhuǎn)換函數(shù)等于衰減高頻干擾的抗混疊濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)。由于阻性輸入和固有AAF，輸入網(wǎng)絡(luò)得以簡化，傳感器可以直接連接到ADC。在傳感器沒有能力驅(qū)動這種阻性負(fù)載的情況下，可以使用儀表放大器來將傳感器與ADC接口。類似地，在基準(zhǔn)電壓源方面，由于阻性負(fù)載，CTSD ADC信號鏈中不需要基準(zhǔn)電壓源緩沖器。圖3b顯示了使用儀表放大器的簡化示意圖。

 

圖2.離散時間Sigma-Delta ADC的前端設(shè)計。 

 

圖3.(a) CTSD架構(gòu)提供阻性輸入和基準(zhǔn)電壓源負(fù)載，(b) 直接儀表放大器和基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動CTSD ADC。 

 

圖4.(a) DTSD ADC的輸入電流中的反沖，(b) CTSD ADC的連續(xù)輸入電流曲線。 

 

圖4顯示了對CTSD ADC如何幫助簡化輸入前端設(shè)計的進(jìn)一步支持。對于DTSD ADC，當(dāng)輸入采樣開關(guān)改變狀態(tài)時，可以明顯看到反沖導(dǎo)致的輸入電流的不連續(xù)性。對于CTSD ADC，可觀察到輸入電流是連續(xù)的，其保持了信號連續(xù)性。

 

簡化輸入驅(qū)動設(shè)計

 

我們已經(jīng)證明，CTSD ADC的輸入驅(qū)動是阻性的。本節(jié)將說明在規(guī)劃ADC的輸入驅(qū)動時，如何確定輸入阻抗R_IN的值。R_IN是ADC額定噪聲性能的函數(shù)。例如，AD4134是一款精密CTSD ADC，具有108 dB的動態(tài)范圍和4 V基準(zhǔn)電壓源，輸入阻抗為6 kΩ差分。這表明，當(dāng)施加一個滿量程8 V p-p差分輸入信號時，峰值電流要求是1.3 mA p-p。如果傳感器可以支持輸入電流V_IN/R_IN，則它可以與ADC直接接口。需要一個簡單放大器來驅(qū)動這種阻性負(fù)載的場景是：

 

1. 傳感器沒有所需驅(qū)動能力來提供V_IN/R_IN的峰值電流。

2. 信號鏈設(shè)計要求為傳感器輸出提供增益或衰減。

3. 將輸入傳感器環(huán)境與ADC電路隔離開來。

4. 傳感器具有很大輸出阻抗。

5. 傳感器遠(yuǎn)離ADC，軌道布線可能給輸入端增加相當(dāng)大的電阻。

 

在場景4和5中，額外的外部電阻RS將存在電壓降，該電壓降表示ADC輸入端有信號損失。這導(dǎo)致信號鏈的增益誤差和誤差隨溫度的漂移，因而引起性能下降。增益的溫度漂移是由外部電阻和內(nèi)阻的不同溫度系數(shù)引起的。使用一個簡單放大器來隔離額外的外部電阻，可以解決此問題。由于該放大器的驅(qū)動負(fù)載是阻性的，因此該放大器的選擇標(biāo)準(zhǔn)是：

 

●    輸入阻抗：為避免信號衰減或損失，傳感器的阻抗應(yīng)與放大器輸入阻抗匹配。

●    輸出阻抗：輸出阻抗應(yīng)當(dāng)足以驅(qū)動ADC的阻性輸入負(fù)載。

●    輸出類型：作為一般信號鏈設(shè)計指導(dǎo)原則，建議使用差分信號策略以獲得最佳信號鏈性能。差分輸出類型放大器或單端轉(zhuǎn)差分輸出的設(shè)計技術(shù)最適合此任務(wù)。另外，為了實現(xiàn)最佳性能，最好將該差分信號的共模設(shè)置為V_REF/2。

●    可編程增益：輸入信號一般要放大或衰減，以將其映射到ADC的滿量程范圍。這是因為當(dāng)使用ADC的滿量程輸入范圍時，可以從ADC信號鏈獲得最高性能。

 

基于應(yīng)用，該放大器可以是儀表放大器或FDA，也可以是兩個單端運(yùn)算放大器的組合——形成一個差分輸出放大器。沒有高壓擺率或高帶寬的硬性要求，可根據(jù)應(yīng)用需求從ADI公司廣泛的放大器產(chǎn)品組合中選擇一款來驅(qū)動此CTSD ADC。此外，放大器性能參數(shù)一般用阻性負(fù)載來指定，這使得選擇更加簡單。

 

例如，對于AD4134，一個具有可編程增益選項和全差分輸出的性能兼容的儀表放大器選擇是 LTC6373。該儀表放大器為輸入源提供高阻抗，可以輕松驅(qū)動差分6 kΩ阻抗，噪聲和線性度性能與ADC相當(dāng)。通過其廣泛的輸入共模支持和可編程增益選項，任何具有寬范圍信號幅度的傳感器或輸入信號都可以與ADC接口。采用該直接儀表放大器驅(qū)動的輸入前端設(shè)計的一個例子如圖4所示。

 

圖5.輸入前端設(shè)計，CTSD ADC與儀表放大器直接接口。 

 

另一個例子是使用全差分驅(qū)動放大器（如 LTC6363-0.5/LTC6363-1/LTC6363-2，基于所需的增益或衰減）的簡單低壓前端設(shè)計，如圖6所示?？梢允褂肍DA的場景是當(dāng)傳感器有能力驅(qū)動FDA的阻性負(fù)載，但為單端類型或具有ADC不支持的共模，或者信號鏈需要小增益/衰減。

 

圖6.輸入前端設(shè)計，CTSD ADC與全差分放大器直接接口。

 

另一個例子是低BOM方案，使用兩個單端運(yùn)算放大器將單端輸入轉(zhuǎn)換為ADC的全差分信號，如圖7所示。

 

圖7.輸入前端設(shè)計，CTSD ADC使用兩個單端放大器。

 

還有許多其他例子，像使用單端儀表放大器和單端運(yùn)算放大器的組合來構(gòu)建差分輸出前端，以支持非常高的輸入共模或低驅(qū)動強(qiáng)度單端型傳感器?？梢愿鶕?jù)性能、面積和BOM要求選擇任何這樣的組合，以更好地適合應(yīng)用。

 

與AD4134兼容的其他放大器有：

 

●    運(yùn)算放大器 ADA4625-2、ADA4610-2、AD8605和ADA4075-2。

●    全差分放大器：ADA4940-2、LTC6363和ADA4945-1。

●    儀表放大器： AD8421。

 

ADI放大器選型指南 可用于選擇最適合具體應(yīng)用的放大器。例如，對于音頻測試設(shè)備等高線性度應(yīng)用，建議使用ADA4945-1。對于最重要考慮是超高輸入阻抗的光電二極管應(yīng)用，可以使用跨阻放大器(TIA)，例如ADA4610-2。

 

CTSD ADC大大簡化了輸入前端，接下來看看基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動方面的類似簡化。

 

簡化基準(zhǔn)電壓源設(shè)計

 

ADC輸出是其輸入和基準(zhǔn)電壓源的表示，如式1所示。

 

 

其中，V_IN = 輸入電壓電平，VREF_ADC = ADC的基準(zhǔn)電壓，N = 位數(shù)，D_OUT = ADC數(shù)字輸出。

 

式1說明，為實現(xiàn)最佳ADC性能，干凈完好的基準(zhǔn)電壓源十分重要。ADC有如下三個主要性能指標(biāo)會受基準(zhǔn)電壓誤差影響：

 

●    信噪比(SNR)： SNR的主要噪聲貢獻(xiàn)源是輸入路徑、ADC本身和基準(zhǔn)電壓源。對于ADC輸出端的目標(biāo)總噪聲，考慮到其他噪聲源，基準(zhǔn)電壓源噪聲的預(yù)算一般是獨立ADC輸出噪聲的1/3或1/4?；鶞?zhǔn)電壓源或基準(zhǔn)電壓源緩沖器通常具有比ADC更高的噪聲。在基準(zhǔn)電壓源或基準(zhǔn)電壓源緩沖器IC的數(shù)據(jù)手冊中，可以看到頻譜噪聲密度或Noisedensity是技術(shù)規(guī)格之一?；仡櫾肼曈嬎慊A(chǔ)，基準(zhǔn)電壓源或基準(zhǔn)電壓源緩沖器輸出端的總噪聲由下式給出：

 

 

我們無法控制Noise_density，因為對于所選的基準(zhǔn)電壓源或緩沖器，它是固定的。唯一可控參數(shù)是噪聲帶寬(NBW)。為了降低基準(zhǔn)電壓源噪聲，我們需要降低基準(zhǔn)電壓源或基準(zhǔn)電壓源緩沖器的噪聲帶寬。這一般是通過將一階低通RC濾波器連接到ADC來實現(xiàn)，如圖8所示。對于一階RC濾波器，NBW由下式給出：

 

 

流過濾波器電阻R的ADC基準(zhǔn)電流I_ADC引起一個電壓降，這會改變ADC的實際基準(zhǔn)電壓值。因此，建議選擇較小的R值和較大的C值，以滿足低基準(zhǔn)電壓源噪聲的NBW要求。

 

●    增益誤差：從式1可以看出，VREF_ADC決定了輸出到輸入轉(zhuǎn)換函數(shù)的斜率，就像在y = mx之類的直線方程中一樣。該斜率也被稱為ADC的增益。因此，如果基準(zhǔn)電壓源發(fā)生變化，ADC的增益也會改變。

●    線性度：對于傳統(tǒng)的DTSD ADC和SAR ADC，基準(zhǔn)電流和伴隨的反沖依賴于輸入信號。因此，如果基準(zhǔn)電壓源在下一個采樣時鐘邊沿之前沒有完全建立，則基準(zhǔn)電壓源上的誤差將與輸入相關(guān)，并導(dǎo)致非線性。數(shù)學(xué)上，VREF_ADC可表示為：

 

 

參考式1，基于ADC的輸入，ADC輸出D_OUT將有各種高階依賴性，這種依賴會造成諧波和積分非線性。因此，傳統(tǒng)ADC硬性要求基準(zhǔn)電壓源緩沖器具有高壓擺率和帶寬，以使基準(zhǔn)電壓源輸出在采樣時間周期內(nèi)穩(wěn)定下來。

 

如果仔細(xì)分析SNR和線性度，我們會看到基準(zhǔn)電壓源或基準(zhǔn)電壓源緩沖器具有相互沖突的要求要滿足。低噪聲要求低帶寬，但快速建立要求高帶寬。適當(dāng)?shù)仄胶膺@兩項要求是信號鏈設(shè)計人員長久以來的挑戰(zhàn)。一些最新的DTSD ADC和SAR ADC將基準(zhǔn)電壓源緩沖器整合到片內(nèi)，以簡化信號鏈設(shè)計中的一步，但這些解決方案需要額外的功率，或者會在一定程度上影響性能。CTSD ADC不需要快速建立緩沖器，其阻性輸入也不需要快速建立驅(qū)動器，因此能夠避免性能問題。

 

CTSD ADC通過以下特性和設(shè)計改進(jìn)解決了基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動器的挑戰(zhàn)：

 

●    基準(zhǔn)電壓源為阻性負(fù)載，在每個采樣時鐘邊沿沒有建立要求。因此，設(shè)計人員可以直接將基準(zhǔn)電壓源IC連接到ADC，而無需專用基準(zhǔn)電壓源緩沖器。

●    已獲專利的設(shè)計技術(shù)使基準(zhǔn)電流與輸入無關(guān)，并迫使ADC的基準(zhǔn)電流I_ADC基本保持恒定。當(dāng)可能需要RC濾波器來降低基準(zhǔn)電壓源噪聲時，這是有益的，如圖8所示。結(jié)果是電阻上的壓降恒定，沒有輸入相關(guān)項增加到VREF_ADC上。我們設(shè)計了一項措施，可以根據(jù)R的值和基準(zhǔn)電壓引腳上測得的電壓來對系統(tǒng)級增益誤差進(jìn)行數(shù)字校正。因此，這個簡單的基準(zhǔn)電壓源接口不會有增益或線性誤差。

 

圖8.阻性基準(zhǔn)電壓源負(fù)載支持基準(zhǔn)電壓源IC與無源濾波器直接連接。

 

盡管已經(jīng)采取措施來對R上壓降引起的誤差進(jìn)行數(shù)字糾正，但有人可能會問，這是否會限制CTSD ADC的滿量程范圍，因為ADC的實際基準(zhǔn)電壓(VREF_ADC)會比施加的VREF要小。

 

例如，若將基準(zhǔn)電壓源IC的VREF調(diào)整并設(shè)置為4.096 V，ADC基準(zhǔn)電流(I_ADC) = 6 mA，那么，對于R = 20Ω的濾波器電阻，ADC的實際基準(zhǔn)電壓(VREF_ADC)為3.967 V，如式5所示。在這種情況下，當(dāng)在ADC輸入端施加2×VREF = 8.192 V p-p（其大于2×VREF_ADC）的額定滿量程差分輸入時，是否有可能使ADC輸出飽和？答案是"不會"。CTSD ADC設(shè)計為支持輸入幅度超出ADC引腳REFIN的基準(zhǔn)電壓幾mV。在我們的AD4134示例中，該擴(kuò)展范圍將電阻值限制為最大25Ω。然后選擇用于噪聲濾波器的C值，以滿足所計算的噪聲帶寬。

 

簡化基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動設(shè)計

 

CTSD ADC簡化了基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動的設(shè)計，但當(dāng)為濾波器選擇正確的R，然后對電阻上的壓降進(jìn)行數(shù)字增益誤差校正時，仍有其他因素需要考慮。數(shù)字增益誤差校正（也稱為校準(zhǔn)）是許多ADC的常見特性，它讓信號鏈設(shè)計人員可以在ADC的數(shù)字輸出端自由補(bǔ)償信號鏈中的誤差。因此，它可能不需要增加設(shè)計步驟，而是重復(fù)使用相同的算法，這對于許多信號鏈很常見。在這種情況下，電阻的選擇似乎不是什么特別的設(shè)計步驟，但有一點要注意：電壓降的溫度相關(guān)性。外部濾波器電阻與I_ADC隨溫度的漂移不同，進(jìn)而導(dǎo)致VREF_ADC和ADC的增益隨溫度漂移。對于具有嚴(yán)格增益漂移要求的應(yīng)用，一種原始解決方案是定期校準(zhǔn)信號鏈。但是，借助CTSD技術(shù)可以實現(xiàn)更好、更創(chuàng)新的解決方案。由于ADC基準(zhǔn)電壓源負(fù)載電流保持恒定，而且與片內(nèi)使用的阻性材料有關(guān)，因此可以提供片內(nèi)20Ω濾波器電阻R，如圖9所示。

 

圖9.片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源噪聲濾波器電阻簡化CTSD ADC的基準(zhǔn)電壓源前端設(shè)計。

 

在新的前端設(shè)計中，基準(zhǔn)電壓源IC連接在REFIN引腳上，濾波電容連接在REFCAP引腳上，形成基準(zhǔn)電壓源IC噪聲的噪聲濾波器。由于片內(nèi)電阻R的阻值和IADC均是同一電阻材料的函數(shù)，因此REFCAP上沒有溫度漂移(VREF_ADC)。AD4134還使用已獲專利的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源校正算法對片內(nèi)電阻上的電壓降進(jìn)行數(shù)字自校準(zhǔn)。因此，基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動設(shè)計得以簡化，只需根據(jù)性能要求選擇基準(zhǔn)電壓源IC和電容值。

 

ADR444是可用作CTSD ADC配套器件的低噪聲基準(zhǔn)電壓源IC之一。關(guān)于電容值選擇和內(nèi)部/外部數(shù)字增益校準(zhǔn)，AD4134的數(shù)據(jù)手冊提供了進(jìn)一步細(xì)節(jié)。

 

結(jié)論

 

CTSD ADCS消除了實現(xiàn)最佳精密性能并簡化前端設(shè)計的許多障礙。在接下來的文章中，我們將介紹如何將CTSD ADC調(diào)制器內(nèi)核的輸出處理成最終數(shù)字輸出格式，以供外部數(shù)字控制器使用，實現(xiàn)最佳處理。從本系列文章介紹的Sigma-Delta基礎(chǔ)知識可知，調(diào)制器輸出無法直接處理，因為它是以高得多的速率進(jìn)行采樣。需要將采樣速率降低到應(yīng)用所需的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)。接下來，我們將介紹一種新穎的異步采樣速率轉(zhuǎn)換(ASRC)技術(shù)，它使信號鏈設(shè)計人員可以將最終ADC輸出調(diào)整到所需的任何ODR，ODR只能是采樣頻率的幾倍的古老限制不復(fù)存在。請繼續(xù)關(guān)注這些有趣的見解！

 

參考電路

 

“驅(qū)動精密轉(zhuǎn)換器：選擇基準(zhǔn)電壓源和放大器。” ADI公司。

 

Mahaffey，Anna。“驅(qū)動SAR ADC（第1部分）：模擬輸入模型”。ADI公司。

 

Shah, Anshul。“為何基準(zhǔn)電壓噪聲非常重要？” 模擬對話，第54卷第1期，2020年3月。

 

 

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