對(duì)于大多數(shù)模擬和混合信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)無(wú)緩沖模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的外部前端需要有耐心和大量建議，因?yàn)樗３１灰暈橐环N藝術(shù)形式，是經(jīng)過(guò)多年摸索掌握其竅門的古怪大師的保留地。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人沮喪的反復(fù)嘗試過(guò)程。大多數(shù)時(shí)候，由于相互關(guān)聯(lián)的規(guī)格要求很多，迫使設(shè)計(jì)人員不得不進(jìn)行很多權(quán)衡（和評(píng)估）才能達(dá)到最佳效果。

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挑戰(zhàn)

放大器級(jí)的設(shè)計(jì)由兩個(gè)彼此相關(guān)的不同級(jí)組成，因此問(wèn)題變得難以在數(shù)學(xué)上建模，特別是因?yàn)橛蟹蔷€性因素與這兩級(jí)相關(guān)。第一步是選擇用來(lái)緩沖傳感器輸出并驅(qū)動(dòng)ADC輸入的放大器。第二步是設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器以降低輸入帶寬，從而最大限度地減少帶外噪聲。

理想的放大器是提供剛剛好的帶寬以正確緩沖傳感器或變送器產(chǎn)生的信號(hào)，而不會(huì)增加額外噪聲，并且功耗為零，但實(shí)際放大器與此相距甚遠(yuǎn)。在大多數(shù)情況下，放大器規(guī)格將決定整體系統(tǒng)性能，尤其是在噪聲、失真和功耗方面。為了更好地弄清楚問(wèn)題，第一步是了解離散時(shí)間ADC的工作原理。

離散時(shí)間ADC獲得連續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)的樣本，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。當(dāng)信號(hào)被采樣時(shí)，根據(jù)模擬轉(zhuǎn)換器的類型，同一固有問(wèn)題有兩種不同的情況。

SARADC集成一個(gè)采樣保持器，其基本上由一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容組成，作用是保持模擬信號(hào)直到轉(zhuǎn)換完成，如圖1所示。

圖1. 采樣保持電路圖

離散時(shí)間∑-?ADC或過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了類似的輸入級(jí)，即具有一定內(nèi)部電容的輸入開(kāi)關(guān)。∑-?ADC的采樣機(jī)制略有不同，但采樣輸入架構(gòu)類似，使用開(kāi)關(guān)和電容來(lái)保持模擬輸入信號(hào)的副本。買元器件現(xiàn)貨上唯樣商城！

在這兩種情況下，開(kāi)關(guān)都是用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，閉合時(shí)電阻為非零值，通常為幾歐姆。此串聯(lián)電阻與采樣電容（pF級(jí)）的組合，意味著ADC輸入帶寬常常非常大，在許多情況下要遠(yuǎn)大于ADC采樣頻率。

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帶寬問(wèn)題

對(duì)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)帶寬是一個(gè)問(wèn)題。在采樣理論中，我們知道高于奈奎斯特頻率（ADC采樣頻率的一半）的頻率信號(hào)應(yīng)被移除，否則這些頻率信號(hào)將在目標(biāo)頻帶中產(chǎn)生鏡像或混疊。通常，噪聲頻譜中有相當(dāng)一部分功率存在于ADC奈奎斯特頻率以上的頻帶中。如果不處理這種噪聲，它將混疊到奈奎斯特頻率以下，增加本底噪聲（如圖2所示），使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍明顯降低。

圖2. 奈奎斯特折疊鏡像

ADC輸入信號(hào)帶寬，以及緩沖器輸出帶寬，是第一個(gè)要解決的問(wèn)題。為確保噪聲不會(huì)向下混疊，必須限制ADC輸入信號(hào)的帶寬。這不是一個(gè)小問(wèn)題。

通常，放大器的選擇是基于大信號(hào)帶寬（即壓擺率）和增益帶寬積的規(guī)格，以便應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)的極端情況，這決定了ADC可以跟蹤的最快變化的信號(hào)。

然而，放大器的有效噪聲帶寬等于小信號(hào)帶寬（通常針對(duì)小于10mVp-p的信號(hào)而考慮），這常常比大信號(hào)帶寬高出至少四到五倍。

換句話說(shuō)，如果大信號(hào)規(guī)格是針對(duì)500kHz而選擇，那么小信號(hào)帶寬很容易就能達(dá)到2MHz或3MHz，這可能會(huì)導(dǎo)致ADC采集到大量噪聲。因此，在將模擬信號(hào)輸入ADC之前，應(yīng)在外部限制小信號(hào)帶寬，否則測(cè)得的噪聲將是ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格的三到四倍。

圖3. 同相放大器配置

表1. 放大器折合到輸出端的噪聲，RTO

記住，放大器產(chǎn)生的熱噪聲取決于放大器增益和總系統(tǒng)帶寬。電路示例如圖3所示，噪聲源總結(jié)在表1中，其中：

T為溫度（單位為K），

k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×1023J/K),

電阻值單位為Ω，

BW指小信號(hào)帶寬。

以上公式表明，在ADC輸入引腳之前增加一個(gè)具有足夠衰減性能的低通濾波器以使采樣噪聲最小是很重要的，因?yàn)樵肼暸c帶寬的平方根成比例。通常，采用分立電阻和電容實(shí)現(xiàn)截止頻率足夠低的一階低通濾波器可消除大部分寬帶噪聲。一階低通濾波器還有一個(gè)額外的好處，即降低目標(biāo)頻帶之外的任何其他較大信號(hào)的幅度，防止其被ADC采樣而可能產(chǎn)生混疊。

但是，這還沒(méi)完。ADC內(nèi)部開(kāi)關(guān)電阻和電容定義了模擬輸入帶寬，但由于輸入信號(hào)的變化，會(huì)產(chǎn)生時(shí)域充放電循環(huán)。每次開(kāi)關(guān)（連接到采樣ADC電容的外部電路）閉合時(shí)，內(nèi)部電容電壓可能與先前儲(chǔ)存在采樣電容上的電壓不同。

審核編輯 黃宇