如何選擇最佳放大器驅動SAR模數轉換器 - 全文

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

　　SAR ADC在模數轉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，在很多應用中，SAR ADC常常是比Δ-Σ ADC和流水線ADC更好的選擇，這些應用包括：具有多路復用信號的應用，在任意空閑周期之后需要實現準確首次轉換的應用(如自動化測試設備)，以及ADC位于需要快速反饋的環路內的應用。

　　在大多數情況下，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將輸入采樣至內部電容器上，并以逐次二進制加權序列對輸入電壓與基準電壓進行比較。當連接至采樣電容器的開關打開時，由于采樣電容器與輸入節點的電壓不匹配，電荷被注入輸入節點。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。截止頻率應該設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，但是頻率又要設定得足夠高，以使放大器能夠在數據轉換器的采樣時間內達到穩定。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。這類放大器由兩級組成：第一級產生一個非倒相緩沖輸入信號，第二級產生倒相輸出。如果輸入信號已經與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“數字增益壓縮”功能，該功能在內部設定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。

　　驅動偽差分ADC

　　將單端模擬信號轉換為數字信號時，另一種方法是完全跳過差分轉換，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，差分架構在本質上更易于消除偶次諧波。然而，堅持使用單端架構也有一些重要優點：驅動電路更加簡單，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建倒相輸入。除了用到較少的元器件，該電路在本質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轉換時間內實現穩定，從而令其在逐次轉換有可能在整個滿刻度范圍內發生變化的應用中成為了很好的選擇，正如具有多路復用信號的情形一樣。

　　需要再次強調的是，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動。在大多數情況下，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之類的產品。這種新型放大器(圖3)為驅動SAR ADC而進行了優化，它具有一個超低噪聲集成充電泵，用于產生自己內部的負電壓軌。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)，同時還可快速穩定(150ns 穩定到16位)。