來源：羅姆半導體社區

模擬系統設計不僅需要選擇正確的IC元件，還必須準確地預測這些元件在系統內的相互影響。從這點來看，模數轉換器的設計是一個巨大挑戰，因為它具有必須在系統級加以考慮的各種不同的輸入采樣結構。下面介紹下幾種基本結構：

許多CMOS模數轉換器中，常用的解決方法是采用開關電容器結構實現輸入采樣。這種輸入結構的最基本形式由相對較小的電容器和模擬開關組成，當開關設在位置1時，采樣電容器被充電至采樣節點的電壓，然后開關切換至位置2，此時采樣電容器上累積的電荷被轉移至采樣電路的其它部分。這一過程不斷反復。

但是這種方法要加入緩沖器，不帶緩沖器的開關電容器輸入可引起嚴重的系統級問題。例如，將采樣電容器充電到適當電壓所需的電流必須由連接到模數轉換器輸入端的外部電路提供。當電容器切換到采樣節點(圖中的開關位置1)時，對電容器進行充電需要大電流。這一瞬態電流的大小是采樣電容器容值、電容開關頻率和采樣節點電壓的函數。

當設計模數轉換器前端的模擬電路時，必須考慮這個開關電流的影響。由于該電流可以通過任何電阻，所以將產生壓降，在模數轉換器的采樣節點處產生電壓誤差。如果轉換器的輸入端有高阻抗傳感器或高阻抗濾波器相連，那么這個誤差將非常大。當開關頻率更高時，放大器輸出阻抗將增大，因此必須仔細選擇放大器和相關電路才能解決瞬態開關電流問題。

不過，當開關頻率更高時，放大器輸出阻抗將增大，因此必須仔細選擇放大器和相關電路才能解決瞬態開關電流問題。

為盡可能減小外部電路的瞬態電流要求，可以設置一個內部緩沖器。在這個實現方案中，模擬開關構成三種不同的狀態。在位置1處，采樣電容器被快速充電至采樣節點電壓(在本例中為VS)加上(或減去)緩沖器偏差(VOS)。在這一階段，對電容器充電所需的瞬態電流由內部緩沖器電路提供。內部緩沖器可被優化設計，以便在所要求的開關頻率下提供低阻抗輸出，利用該開關頻率可在指定時間對電容器進行正確充電。然后，開關被重新配置，在位置2處形成連接。

接著，采樣電容器被充電或放電，以便電容器電壓與采樣節點上的電壓相等。此時可能仍然存在少量開關電流，但外部電路所需的電流將減少，這是由于電容器電壓已經被充電至內部緩沖器的偏置電壓范圍內。最后，模擬開關切換到位置3處，此時采樣后的電壓可被傳送至采樣電路的其余部分。帶緩沖器的開關電容器輸入能夠大幅降低模數轉換器外部電路的瞬態電流，這是它的優點之一。在前一個例子中，采樣電容器的容值為10pF，開關頻率為1MHz。假設內部緩沖器的電壓偏置為10mV，這將產生僅100nA的瞬態電流，該數值比不帶緩沖的采樣輸入的瞬態電流小250倍。

審核編輯 黃昊宇