驅(qū)動(dòng)您的 SAR

人們常常問我們的應(yīng)用工程師，就某個(gè)具體的模數(shù)轉(zhuǎn)換器而言，哪款放大器是最好的驅(qū)動(dòng)器。不幸的是，就像生活中的很多問題一樣，答案是“視情況而定”。在決定選擇最佳放大器的最佳方法時(shí)，ADC 架構(gòu)、分辨率、信號帶寬以及其他特定的應(yīng)用細(xì)節(jié)都在發(fā)揮著作用。在本文中，我們在驅(qū)動(dòng) SAR ADC 的情況下考慮一下這些問題。

SAR ADC 是模數(shù)轉(zhuǎn)換器世界的主力。一般而言，這類 ADC 位于高分辨率、低速增量累加 ADC 和高速、較低分辨率的流水線 ADC 之間。憑借其無延遲特性，在下列應(yīng)用中 SAR ADC 常常是比 ΔΣ ADC 和流水線型 ADC 更好的選擇，即：具有多路復(fù)用信號的應(yīng)用、在一個(gè)任意空閑周期之后需要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確首次轉(zhuǎn)換的應(yīng)用 (比如 ATE)、以及 ADC 位于一個(gè)要求快速反饋的環(huán)路之內(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(gè)放大器來獲取最佳 SNR 和失真性能。SAR ADC 將其輸入采樣至內(nèi)部電容器上，并以一種逐次二進(jìn)制加權(quán)序列對輸入電壓值與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)至采樣電容器的開關(guān)開路時(shí)，由于從采樣電容器至輸入節(jié)點(diǎn)電壓失配的原因，電荷被注入輸入節(jié)點(diǎn)。在放大器和 ADC 之間布設(shè)了一個(gè)簡單的單極點(diǎn) RC 濾波器。除了濾除高頻噪聲和混疊分量，其用途還有幫助吸收這種注入的電荷。為這種濾波器選擇截止頻率時(shí)，必須小心。截止頻率應(yīng)該設(shè)定在足夠低的頻率上，這能有效吸收注入電荷并濾除噪聲，但是頻率又要足夠高，以使放大器能在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。因?yàn)檫@種濾波器單獨(dú)使用不足以限制噪聲，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 (參見圖 1)。

圖 1：LTC2379 18 位 1.8Msps 差分輸入 SAR ADC

驅(qū)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?cái)U(kuò)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 電源和高達(dá) 5V 的基準(zhǔn)工作，以實(shí)現(xiàn) 10V 的峰值至峰值差分輸入范圍。如果輸入信號已經(jīng)是差分的，那么要緩沖信號并驅(qū)動(dòng) ADC，全部所需也許僅是 LT6203 等低噪聲、快速穩(wěn)定的雙通道運(yùn)算放大器。這些放大器配置為單位增益緩沖器，為輸入信號提供高阻抗輸入端。

不過，在很多情況下，輸入是單端的，而且必須轉(zhuǎn)換為差分信號。用 LT6350 等放大器可以很容易地完成這個(gè)任務(wù)。這類放大器有兩級：第一級產(chǎn)生一個(gè)緩沖非倒相輸入信號，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)放大器就可以如圖 2a 上部所示，用來為信號提供一個(gè)高阻抗緩沖器。如果信號需要擴(kuò)大并移位，以與 ADC 的輸入范圍相匹配，那么可以如圖 2b 下部所示那樣去做。在這個(gè)例子中，一個(gè)單端 ±10V 信號被轉(zhuǎn)換成 0 至 5V 的差分信號 (R2 和 R3 用來給信號移位，R_IN 和 R1 用來擴(kuò)大信號)。在精確的模擬電路中常常忽視的事情是，增益設(shè)定和電平移位電阻器之間需要高度匹配。若采用 0.1% 準(zhǔn)確度的分立電阻器，則具有將隨著時(shí)間、溫度和共模電壓范圍而變化的失配，其程度之甚使其很可能成為電路誤差的主要根源。使用 LT5400 等精確匹配的電阻器將有助于減輕這個(gè)問題。

放大器在電源電壓和輸出電壓之間需要空間。為了保持最佳的準(zhǔn)確度和線性度，視放大器的不同而不同，輸出一般必須在電源軌以內(nèi) 0.5V 或更多。這意味著，必須給放大器提供比 ADC 輸入范圍寬的電源電壓范圍，或者 ADC 必須從放大器接受一個(gè)受限的輸入范圍。LTC2379-18 等 ADC 包括“數(shù)字增益壓縮”功能，該功能從內(nèi)部設(shè)定 ADC 的滿標(biāo)度與地及基準(zhǔn)電壓均相差 0.5V。這允許使用單一 5V 電源的放大器與 ADC 的滿標(biāo)度匹配。

圖 2：用 LT6350 進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換

驅(qū)動(dòng)偽差分 ADC
將單端模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時(shí)，另一種方法是完全跳過差分轉(zhuǎn)換，并使用新的 LTC2369-18 等偽差分 ADC。代價(jià)是，由于較小的輸入范圍，失去了多達(dá) 6dB 的信噪比。此外，差分架構(gòu)天生更易于消除偶次諧波。不過，堅(jiān)持使用單端架構(gòu)也有一些重要的優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路更簡單：可以簡單到使用一個(gè)諸如 LT6202 等低噪聲快速穩(wěn)定的運(yùn)算放大器。不需要第二個(gè)運(yùn)算放大器和電阻器來建立倒相輸入。除了使用更少的組件，該電路的功率和噪聲天生較低。因?yàn)橐粋€(gè)較低噪聲的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(shí)間之內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，從而令其在逐次轉(zhuǎn)換有可能在整個(gè)全標(biāo)度范圍內(nèi)發(fā)生變化的應(yīng)用中成為上佳的選擇，正如與具有多路復(fù)用信號的場合一樣。

需要再次強(qiáng)調(diào)的是，必須考慮放大器的空間 —— 電源電壓必須距離可對信號進(jìn)行無失真驅(qū)動(dòng)的放大器輸出擺幅足夠遠(yuǎn)。在大多數(shù)情況下，這意味著，必須為放大器提供負(fù)軌。解決這個(gè)問題的一種方法是使用 LTC6360 等產(chǎn)品。這種新的放大器 (圖 3) 為驅(qū)動(dòng) SAR ADC 而優(yōu)化，具有一個(gè)集成的超低噪聲充電泵，該充電泵產(chǎn)生自己的內(nèi)部負(fù)電壓軌。在僅用單一正電源時(shí)，這允許輸出一直擺動(dòng)到地，甚至比地低一點(diǎn)兒。LTC6360 保持卓越的準(zhǔn)確度 (250µV 失調(diào)，2.3nV/√Hz 噪聲)，并可以快速穩(wěn)定 (16 位，150ns)。

圖 3：使用單電源時(shí)，LTC6360 擺動(dòng)至真正的 0V

結(jié)論
可以使用幾種放大器拓?fù)鋪眚?qū)動(dòng) SAR ADC。最佳選擇取決于輸入信號、ADC 輸入架構(gòu)和應(yīng)用細(xì)節(jié)，例如輸入信號是否是多路轉(zhuǎn)換的。需要權(quán)衡的因素包括功率、復(fù)雜性、性能和速度 (轉(zhuǎn)換速率和穩(wěn)定時(shí)間)。