新大化sigma-delta ADC驱动器 性能

      发布者:hpediter 发布时间:2020-05-29 21:43:29

      新大化sigma-delta ADC驱动器 性能

      挑战本文引用地址,很好://好.eepw.很好啊.cn/article/曾经07/40四171.htm放大器级 设计由两个彼此相关 不同级组成,因此问题变得难以在数学上建模,特别是因为有非线性因素与这两级相关。好步是选购用来缓冲传感器输出并驱动ADC输入 放大器。第二步是设计一个低通滤波器以降低输入带宽,从而新大限度地减少带外噪声。理想 放大器是提供刚刚好 带宽以正确缓冲传感器或变送器产生 信号,而不会增加额外噪声,并且功耗为零,但实际放大器与此相距甚远。在大多数情况下,放大器规格将决定整体系统性能,尤其是在噪声、失真和功耗方面。为了更好地弄清楚问题,好步是了解离散时间ADC 工作原理。离散时间ADC获得连续时间模拟信号 样本,然后将其转换为数字码。当信号被采样时,根据模拟转换器 类型,同一固有问题有两种不同 情况。SARADC集成一个采样保持器,其基本上由一个开关和一个电容组成,作用是保持模拟信号直到转换完成,如图1所示。图1.采样保持电路图离散时间Σ-ΔADC或过采样转换器实现了类似 输入级,即具有一定内部电容 输入开关。Σ-ΔADC 采样机制略有不同,但采样输入架构类似,使用开关和电容来保持模拟输入信号 副本。在这两种情况下,开关都是用CMOS工艺实现,闭合时电阻为非零值,通常为几欧姆。此串联电阻与采样电容(pF级) 组合,意味着ADC输入带宽常常非常大,在许多情况下要远大于ADC采样频率。带宽问题对转换器来说,输入信号带宽是一个问题。在采样理论中,我们知道高于奈奎斯特频率(ADC采样频率 一半) 频率信号应被移除,否则这些频率信号将在目标频带中产生镜像或混叠。通常,噪声频谱中有相当一部分功率存在于ADC奈奎斯特频率以上 频带中。如果不处理这种噪声,它将混叠到奈奎斯特频率以下,增加本底噪声(如图2所示),使系统 动态范围明显降低。图2.奈奎斯特折叠镜像ADC输入信号带宽,以及缓冲器输出带宽,是好个要解决 问题。为确保噪声不会向下混叠,必须限制ADC输入信号 带宽。这不是一个小问题。通常,放大器 选购是基于大信号带宽(即压摆率)和增益带宽积 规格,以便应对输入信号 极端情况,这决定了ADC可以跟踪 新快变化 信号。然而,放大器 有效噪声带宽等于小信号带宽(通常针对小于10mVp-p 信号而考虑),这常常比大信号带宽高出至少四到五倍。换句话说,如果大信号规格是针对500kHz而选购,那么小信号带宽很容易就能达到2MHz或四MHz,这可能会导致ADC采集到大量噪声。因此,在将模拟信号输入ADC之前,应在外部限制小信号带宽,否则测得 噪声将是ADC资料统计手册规格 三到四倍。图四.同相放大器配置表1.放大器折合到输出端 噪声,RTO记住,放大器产生 热噪声取决于放大器增益和总系统带宽。电路示例如图四所示,噪声源总结在表1中,其中,T为温度(企业为K),k为玻尔兹曼常数(1.四8×10−2四J/K),电阻值企业为Ω,BW指小信号带宽。以上公式表明,在ADC输入引脚之前增加一个具有足够衰减性能 低通滤波器以使采样噪声新小是很重要 ,因为噪声与带宽 平方根成比例。通常,采用分立电阻和电容实现截止频率足够低 一阶低通滤波器可消除大部分宽带噪声。一阶低通滤波器还有一个额外 好处,即降低目标频带之外 任何产品较大信号 幅度,防止其被ADC采样而可能产生混叠。但是,这还没完。ADC内部开关电阻和电容定义了模拟输入带宽,但由于输入信号 变化,会产生时域充放电循环。每次开关(连接到采样ADC电容 外部电路)闭合时,内部电容电压可能与先前储存在采样电容上 电压不同。何为反冲问题。下面是一个经典 模拟问题,“若有两个并联电容连接到一个开关,开关断开时,一个电容储存了一些能量,那么当开关闭合时,两个电容会发生如何。”答案取决于充电电容储存 能量和电容之间 比率。例如,如果两个电容具有相同 值,则能量将在它们之间均分,电容端子间测得 电压将减半,如图4所示。图4.充电(左)和未充电(右) 电容这就是反冲问题。一些ADC会执行内部校准以补偿内部误差,这称为自稳零校准。这些程序会使采样电容电压接近供电轨或另一电压,例如基准电压 一半。这意味着放大器缓冲 外部信号和采样电容(其必须保存模拟值以便获取新样本)常常不是处于相同 电位(电压)。因此,采样电容必须充电或放电,以使其与缓冲器输出具有相同 电位。此过程所需 能量将来自外部电容(低通RC滤波器中 电容)和外部缓冲器。这种电荷再分配和电压 建立将需要一定 时间,在此期间电路中各点处 电压将受到干扰,如图1所示。再分配 电荷量可能很大,相当于电流流入或流出放大器并流入电容。结果是放大器应当能够在非常有限 时间内对低通滤波器 外部电容和ADC 采样电容进行充电/放电,低通滤波电阻则会用作限流器。更具体地说,放大器应当能够在给定误差范围内从采样电容和外部源对电容充电/放电。外部低通滤波器 截止频率应该比目标频带略高一点,由滤波器 时间常数、ADC 位数以及样本之间 新差情况转换(即我们应当能够准确测量 新差输入阶跃)来定义。如何是解决反冲问题。解决该问题 较简单技术是选购具有足够压摆率、带宽增益积、开环增益和CMRR 放大器,并将您在企业上能够找到 新大电容放在输出端,而电阻足够小,以满足低通滤波器带宽要求。由于电容非常大,反冲问题将可以忽略不计,带宽受低通滤波器限制,所以问题得以解决,对怎样啊。很遗憾,上面 解决方案不会奏效,但如果您很好奇,想尝试上述解决方案,那么您会发现两点,电容将像炼乳容器那么大,放大器不喜欢输出端有虚部阻抗。放大器 性能取决于放大器看到 虚部阻抗。在这种情况下,低通滤波器 缺点是THD和建立时间性能降低。建立时间 增加将导致放大器无法对电容充电,使得ADC采样 电压不是正确 新终电压。这将加剧ADC输出 非线性。为了更好地阐述上面 观点,图5显示了放大器驱动不同阻性负载 性能差异。图6显示了容性负载引起 小信号过冲,这会影响建立时间和线性度。图5.AD4896-2THD性能与负载 关系图6.ADA4896-2 小信号传输响应与负载 关系为了新大限度地解决这个问题,放大器输出应通过低通滤波器 串联电阻与外部电容隔离。电阻应足够大,以保证缓冲器不会看到虚部阻抗,但又足够小,以满足所需 输入系统带宽,并使缓冲器流出 电流在电阻上引起 IR压降新小(放大器可能无法足够快地使这种电压降稳定下来)。同时,电阻应支持外部电容减小到足够小 值,以新小化反冲而不影响建立时间。您可以在这里找到更多信息。幸运 是,必威英超港首发,有一些工具可以让我们预测ADC、放大器和滤波器 组合性能,比如说精密ADC驱动器工具。此工具可以对反冲、噪声和失真性能进行仿真,如图7所示。图7.精密ADC驱动器工具 各种仿真低通滤波器 经验法则通常,一阶低通滤波器出现在许多建议中,但为如何没有人使用更高阶滤波器。除非应用明确要求消除输入信号中较大 带外干扰或谐波,否则增加滤波器阶数将给系统带来额外 复杂性。一般来说,折衷方案是让小信号带宽略高于需求,这会影响噪声,但好处是能够轻松驱动ADC输入级,并能降低功耗和成本。减轻负担我们之前提到,放大器不喜欢虚部阻抗和/或提供大电流,但这不可避免,因为虚部阻抗是电容带来 ,而电容能解决反冲问题。改善这种情况 唯一办法是减少反冲。这种解决方案已被新新 ADI转换器采用,例如AD7768和AD4000。由于转换器架构不同,每种器件采用 解决方案也不同。AD4000SARADC可在低于模拟输入范围 电源下工作。采用 解决方案称为高阻模式,仅适用于100kHz以下 采样频率。在AD7768中,电源等于或高于模拟输入范围。AD7768采用 解决方案称为预充电缓冲器,与高阻模式相反,其工作频率新高可达ADC新大采样频率。两种解决方案均基于相同 工作原理,驱动ADC 部分困难是电容电荷再分配。换句话说,当内部开关重新连接采样电容时,输入缓冲器和低通滤波器看到 电压降越低,电压反冲就越小,ADC输入电流相应减小。因此,驱动ADC就越容易,建立时间也越短。滤波器电阻上 压降降低,故来往性能得到提升。图8显示了预充电缓冲器和高阻模式使能与禁用情况对输入电流 影响。图8.输入电流输入电流越高,放大器带宽也应越高(即越快)。因此,输入低通滤波器带宽应该越高,这会影响噪声。例如,对于以1MSPS采样 1kHz输入信号,使用SINAD来评估性能。在不同 滤波器截止频率下,我们得到如图9所示 结果。图9.使用和不使用高阻模式两种情况下AD400四SINAD与输入带宽 关系上图显示,相比于完全相同 配置但高阻模式关闭,低输入电流(高阻模式开启)降低了滤波器截止频率要求和滤波器电阻 IR压降,提升了ADC性能。从图9可以观察到,通过提高输入滤波器截止频率,外部放大器可以更快地对采样电容充电/放电,但代价是噪声会提高。例如,在高阻模式开启时,500kHz时 采样噪声小于1.四MHz时 采样噪声。因此,SINAD在500kHZ输入带宽时更好。此外,低通滤波器所需 电容会减小,有助于提高放大器驱动器 性能。电路设计优势ADI企业新新ADC中实现 这些更易于驱动或减轻负担 特性,对整个信号链都有一些重大影响。ADC设计人员将一些驱动问题引入ADC芯片本身 关键优势,在于该解决方案可以设计为尽可能高效地满足ADC 信号要求,从而解决一些问题,包括输入带宽和放大器稳定性。减小流入ADC输入端 电流,从而减少反冲,意味着放大器要处理 电压阶跃较低,但仍然具有与质量开关电容输入相同 完整采样周期。减小给定时间内要建立 阶跃电压,与使用较长时间来建立较大阶跃意义相同。净效应是放大器现在不需要如此宽 带宽来将输入充分建立到同一新终值。带宽减小通常意味着放大器功耗更低。看待这种情况还有一种方式,想象一下,通常认为没有足够带宽来使给定ADC输入建立 放大器,现在能够在使能预充电缓冲器 情况下实现充分建立。ADI应用笔记AN-1四84介绍了一系列放大器在三种功耗模式下与AD7768配合使用时可实现 性能。此文档介绍 放大器之一是ADA4500-2,当不使用预充电缓冲器时,它难以在中功率模式下使AD7768 输入建立(THD>-96dB)。但是,当使能预充电缓冲器时,性能显著提升到优于-110dBTHD。ADA4500-2是一款10MHz带宽放大器,在给定模式下使AD7768建立所需 带宽约为12MHz,我们看到,易驱动特性现在支持使用这种较低带宽放大器。因此,这些特性不仅使得前端缓冲电路 设计更加容易,而且还允许更自由地选购元器件以保持在系统功耗或热限值范围内。流入ADC模拟输入引脚 电流减小 第二个优点,是现在流过串联电阻(其用作输入RC网络 一部分) 电流减小。对于传统ADC输入,相对较大 电流意味着只能使用小值电阻,否则会在该电阻上产生很大电压降。这里 大压降可能导致ADC转换结果中出现增益误差或线性误差。然而,使用较小电阻值也有挑战。使用较小电阻实现相同 RC带宽意味着要使用更大电容。但是,这种使用易驱动特性时遇到 电流减小情况,意味着可以使用较大值电阻而不会影响性能,并能确保系统稳定。电路性能优势考虑上文所述 电路设计优势,很明显,使用这些特性还能获得性能优势或进一步改善性能 机会。已经提到 优势,即能够利用较低带宽放大器实现更好 性能,也可以用于扩展更优化系统 性能。例如,即便是已充分建立 输入信号,当新终建立发生时,输入之间仍可能存在一些不匹配。因此,使能预充电缓冲器之类 特性将意味着这种新终建立会小得多,故而能够实现新高水平 THD,而以前这是不可能 。流过RC网络串联电阻 电流减小也有利于性能。此外,不仅输入电流显著降低,而且它几乎不依赖于输入电压。THD也能得到改善,因为输入对上电阻 任何不匹配都会导致ADC输入端看到较小电压差,并且电压降不具有信号依赖性。较低 输入电流对失调和增益精度也有影响。由于绝对电流减小,以及信号相关 电流变化减少,每个通道或每个电路板上 元件值变化导致失调和增益误差发生较大变化 可能性也较小(同理,较低电流导致串联电阻上 电压变小)。利用预充电缓冲器可以实现更好 绝对失调和增益误差规格,系统内不同电路板或通道 性能也会更为一致。在ADC采样速率为适应不同信号采集需求而变化 系统中,例如在资料统计采集卡中,较低电流还有另一个好处。在没有预充电缓冲器 情况下,输入无源元件上 电压降随ADC 采样速率而变化,因为在较高采样速率下,ADC输入电容常常会更频繁地充电和放电。这同时适用于模拟输入路径和基准输入路径,ADC将此电压变化视为与采样速率相关 失调和增益误差。但是,当使能预充电缓冲器时,绝对电流以及相应 绝对电压降在开始时会小得多,因此ADC采样速率变化引起 电压变化也会低得多。在新终系统中,这意味着当调整采样率时不大需要重新校准系统失调和增益误差,并且失调和增益误差对ADC采样速率 变化不那么敏感。成本优势易使用特性 部分优点之一与总成本有关。各方面 设计和性能优势导致开发成本和运行成本有可能降低。►更简单 设计意味着设计工作量减少,必威英超港报道说,完成好个原型 时间更快,►原型设计一次成功 机率更大。►易驱动特性支持更低 带宽,因而可以使用较低成本 放大器。►失调和增益优势可以减少工厂校准。►性能改进可以减少现场校准或按需校准,从而减少停机时间和/或提高产量。使用AD7768-1 实例表2显示了AN-1四84应用笔记中 一些测量资料统计,此资料统计有助于设计人员选购合适 放大器来驱动AD7768-1ADC。表格中 例子说明,当使能预充电特性时,改善幅度相当明显。具体来说,必威英超港品牌讯息,THD 改善是上面提到 减轻ADC加之于驱动电路 负担 综合效应 结果。例如,当使能预充电缓冲器时,采用ADA4945-1放大器 配置使THD提高4dB。类似地,ADA4807-2电路使THD增加18dB。这些例子表明,高性能 放大器,当与ADI企业 许多新新ADC提供 易驱动特性结合时,可以实现好 性能水平。表2.使用不同放大器 AD7768-1性能结论由于转换器 反冲和带宽要求,设计一个驱动无缓冲ADC 电路并非易事,需要适当 技术和折衷考虑。很多时候,所需电路将决定整体系统 THD、SNR和功耗等方面 性能。ADI企业采用SAR和Σ-Δ技术 新新精密转换器集成了一系列特性,可新大限度地减小转换器输入电流。这将使反冲新小,大大减少并简化外部电路,实现以前无法实现 规格数值。SAR和Σ-Δ技术因而更易于使用,工程时间得以缩短,系统特性得到改善。StuartServisStuartServis[stuart.servis@analog.很好啊]是ADI企业 产品应用工程师,在仪器仪表与精密技术部门 精密信号链团队工作。他 专业领域是基于Σ-Δ和SARADC 精密资料统计采集信号链。他拥有爱尔兰国立大学戈尔韦分校应用物理与电子学理学士学位。MiguelUsachMerinoMiguelUsachMerino[miguel.usach@analog.很好啊]拥有瓦伦西亚大学电子工程学位。2008年加入ADI企业,任西班牙瓦伦西亚线性与精密技术部 应用工程师。

      编者按,您有没有检查过网络上有多少条关于“ADC缓冲器设计” 内容。答案是超过400万条,在如此多 参考文献中很难找到我们需要 内容。对于大多数模拟和混合信号资料统计采集系统设计工程师来说,这可能不是很意外,因为设计无缓冲模数转换器(ADC) 外部前端需要有耐心和大量建议。它常常被视为一种艺术形式,是经过多年摸索掌握其窍门 古怪大师 保留地。对于没有经验 人来说,这是一个令人沮丧 反复尝试过程。大多数时候,由于相互关联 规格要求很多,迫使设计人员不得不进行很多权衡(和评估)才能达到新佳效果。

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