简要概述ADC驱动器 如何充分利用ADC

随着传感器在各种终端市场中变得越来越丰富，对包括模数转换器 （ADC） 在内的模拟信号调理的需求持续增长。整个传感器市场预计将以超过 9% 的年复合增长率增长。终端市场包括各种物联网 （IoT） 应用、工厂自动化和控制、公共卫生和安全、医疗保健和汽车领域的扩展。对于 ADC，市场趋势是向更高分辨率、更高速度的设备发展，因为此类解决方案的成本变得更实惠。

顾名思义，ADC 驱动器是专门设计用于与 ADC 一起工作的专用放大器，包括逐次逼近、流水线和基于 delta-sigma 的架构。这些专用放大器是使 ADC 充分发挥功能的关键电路组件，并且随着更高速、更高分辨率转换器的扩展而变得更加重要。

了解 ADC 输入

在讨论 ADC 驱动器所需的技术功能之前，简要概述当今 ADC 的输入架构会很有帮助。差分信号可以定义为两个节点在一个固定点附近具有相等但相反的信号，称为共模电平。如图 1所示，这两个信号节点通常被称为正和负——或同相和反相。

图 1这是差分正弦波的样子。资料来源：微芯片

在上述示例中，满量程输入电压为 5 V 峰峰值差分，每条腿摆幅为 2.5 V 峰峰值。此示例中的共模电平为 2.5 V。当今大多数高性能 ADC 都采用差分输入架构，因为它提供了优于单端输入的性能。这些性能优势包括抑制共模噪声和常见干扰信号的能力以及 6 dB（或 2 倍）的动态范围增加。

ADC 可能会给系统设计人员带来特别艰巨的挑战，因为它提供了必须在系统级考虑的各种不同的输入采样架构。出于本次讨论的目的，重点将放在使用开关电容结构来完成输入采样的 ADC 上。这种输入结构最基本的形式是由一个相对较小的电容和一个模拟开关组成，如图 2所示。

图 2一个简单的开关电容输入结构用于输入采样。资料来源：微芯片

当开关配置在位置 1 时，采样电容器被充电到采样节点的电压，在这种情况下为 V S。然后开关翻转到位置 2，采样电容器上的累积电荷随后被转移到采样电路的其余部分。然后该过程重新开始。

无缓冲的开关电容输入，如上文所述，可能会导致严重的系统级问题。将采样电容器充电至适当电压所需的电流必须由连接到 ADC 输入的外部电路提供。当电容器切换到采样节点（图 2 中的开关位置 1）时，将需要大量电流来开始对电容器充电。该瞬时电流的大小是采样电容器的大小、电容器切换的频率以及采样节点上的电压的函数。这个开关电流可以用下面的公式来描述：

其中C是采样电容器的电容，V是采样节点上的电压（在本示例中表示为 V S），f是采样开关打开和关闭的频率。如图 2 所示，此开关电流会在采样节点上产生高电流尖峰。

在设计 ADC 前面的模拟电路时，必须考虑这种开关电流的影响。当输入电流通过任何电阻时，都会出现电压降，从而导致 ADC 的采样节点出现电压误差。如果输入节点在下一个采样周期之前没有完全稳定，也会发生失真。

解决方案：ADC 驱动程序

保持所需的传感器信号完整性以充分利用这些更高分辨率、更高速度的 ADC 变得非常具有挑战性。随着 ADC 的分辨率和速度增加，传感器信号的噪声和失真影响变得更加明显。在更高的 ADC 采样速度下，必须注意确保输入信号在采样事件之前已经稳定，并且更高带宽的信号不会混叠回感兴趣的信号带宽。

为了克服这些信号调节挑战，许多 ADC 应用需要一个 ADC 驱动器，以提供足够的稳定和抗混叠。如上所述，大多数现代 ADC 都采用差分输入架构。ADC 驱动器的主要功能之一是提供输入信号的单端到差分转换，尽管它们也可以轻松处理差分输入信号。

ADC 驱动器的另一个功能是缓冲输入信号，从而将其余电路与 ADC 输入节点上的电荷注入隔离开来。ADC 驱动器提供瞬时充电，以确保采样节点在跟踪时间内稳定，从而最大限度地减少与稳定相关的任何失真。必须注意 ADC 驱动器和转换器的板级布局，以确保从驱动器输出到 ADC 输入的走线电阻最小。

大多数 ADC 驱动放大器还提供一个硬件引脚，使用户能够对共模电压进行电平转换。此功能非常适合确保生成的差分信号位于 ADC 的输入电压范围内，从而最大化动态范围。随着工作电压继续趋于降低，动态范围对于确保输入信号的全分辨率变得更加关键。

最后，与大多数放大器组件类似，ADC 驱动器可以提供输入信号的放大以及有源滤波。应该注意的是，大多数 ADC 驱动器的增益都相对较低，通常只有 1 或 2 V/V 的增益。通过保持放大器的低闭环增益，可以最大化环路增益，从而实现最低失真。例如，如果一个放大器的开环增益为 100 dB，并且配置为 200 或 46 dB 的闭环增益，则只留下 54 dB 的开环增益裕度来确保线性度，或者大约是其中的一部分在 500 中。因此，通常在靠近信号源的位置设置一个单独的增益级，以最大限度地提高信噪比。

充分利用 ADC

传感器在各种终端市场中的普及使人们更加关注信号调理电路。随着高分辨率和高速 ADC 的成本不断降低，实现这种性能改进变得更具挑战性。

为了充分利用您的数据转换器，ADC 驱动器对于优化性能至关重要，同时为源信号添加可忽略不计的失真、噪声和建立时间误差。MCP6D11差分驱动器等专用器件专为最大限度提高高速、高分辨率 ADC 的性能而设计。

Kevin Tretter 是 Microchip Technology Inc. MSLD 业务部门的高级产品营销经理。