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目前大多數高精度模數轉換器都具有一個電容性“采樣與保持”片上放大器，其需要在每次轉換前進行再充電。因此，模數轉換器通常還采用一個外部運算放大器。不幸的是，采樣電容器會降低放大器的穩定性，因此，放大器會在其輸出顯示低電平振鈴，從而很難在非常短的時間內（400ns）為采樣電容器進行再充電使其達到非常高的精度 (40μV)。本文將對此問題進行解釋，并說明如何優化模擬前端。 大部分模數轉換器（ADC）的輸入均可連接到采樣電容器。在進行轉換之前，電容器充電可達到輸入電壓（圖1(a)）。輸入開關關閉。在t0時，通過打開輸入開關保持信號（圖1(b)）。現在，轉換器可以處理信號了。電容器（包括開關）通常稱為“采樣與保持級”。 模數轉換器的設計人員必須確定此電容器的容量。電容器容量越大，采樣噪聲（kT/C噪聲）越低。不過，電容器需要在轉換器的采樣期間（采集時間）再充電。以下例子說明進行此操作的難度。 德州儀器公司 (TI) 推出的 ADS8361 是一款 500kHz的16 位模數轉換器。 其采樣電容器的容量是20pF，采集時間大約為 400ns。信號應至少建立到最低有效位 (LSB) 大小的一半，其可以根據滿量程 (FSR) 進行計算： 1 LSB = FSR / 216 也可以使用此數據計算再充電過程所需的帶寬 (f3dB)：在采集時間內 (Ta=400ns)，運算放大器必須建立到 LSB 的一半，對于16位轉換器來說，其為滿量程 (FSR)) 的1/216+1。如果輸入信號Vin 在一次轉換期間根據FSR改變到下一次轉換，而且再充電是一階指數曲線的話，則在電容器(Vc)的輸入端收到以下電壓： Vc(t)-Vin=FSR*e-Ta/τ 圖1(a) 充電可達到輸入電壓 圖1(b) 打開輸入開關保持信號 如果驅動運算放大器的輸出電流受到限制，則建立與時間不是指數關系，而是時間線性關系，運算放大器轉換（圖2）。這會增加建立時間。 再次假設兩次轉換輸入信號的變量是滿量程。對于 ADS8361 來說即為 5V。如果轉換采用一半采集時間，則運算放大器的轉換率 (SR) 必須至少為： SR = 5V/0.2μs=25V/μs。 而且最大輸出電流必須大于： C=△Q/△V=I*(△t/△V)=I/SR I=C*SR=20pF*25V/μs=0.5mA 圖2 時間線性關系 圖3 放大器的輸出通常會出現某些振鈴 不幸的是，大多數放大器都存在電容性負載方面的問題。電容器旨在降低驅動放大器的相位裕度，并使其變得不穩定。因此，放大器的輸出通常會出現某些振鈴（圖3）。 其振鈴一般很小，使用示波器不能觀察到，但是利用模數轉換器可以測量到。因此，DC輸入電壓需要被施加到驅動運算放大器。在轉換器的輸入代碼隨不斷增加的采集時間振蕩時，則很可能放大器存在振鈴。 為了防止放大器產生振鈴，需要從電容器斷開放大器。這可以通過在放大器與電容器之間放置電阻來實現。 電阻的最大值 (Rmax) 可以利用在式 (1) 中計算得到的時間常數τ來計算： τ = Rmax * C Rmax = τ/ C = 1.7kΩ 請注意，替代電阻可以使用RC組合。此情況下，必須為上式中的內部電容器C增加一個外部電容器Cex。另外，需要增加模數轉換器的輸入電阻（ADC)，其在大部分情況下都可以被忽略，因為轉換器的輸入電阻只有幾歐姆。 此電阻可以帶來其他優勢，只要最大輸出電流高于以下值，放大器就不會再轉換： Imax = FSR/R (= 5V/1.7kΩ= 2.90mA) (3) 這使其建立行為更具有可預測性。 如果諧波失真 (THD) 是應用的重要規范的話，則最大電阻可能會受到應用的限制。 電阻器與采樣電容器共同構成了一個低通濾波器。因此，在模數轉換器的輸出代碼中只能看到低于公式 (2) 所計算的3dB頻率的系統噪聲的頻譜。 另外，驅動放大器也會增加應用的噪聲。為了確保其噪聲不高于系統噪聲，其總的均方根噪聲應小于轉換器的噪聲。假設轉換器的均方根噪聲大約為30μV。其與180μV的峰至峰噪聲相關（大約 ADS8361的2.5LSB）。利用公式 (2) 所計算的4.7MHz 帶寬，放大器的噪聲應該低于： 噪聲 = 30μV/sqrt (4.7MHz) = 13.8nV/sqrt (Hz) 請注意，這只是一種粗略估算。由于低通濾波器只以20dB/十進制降低，使用模數轉換器可以看到某些高于 3dB 的噪聲。為了更好的估算，頻率需要乘以 1.5。另外， ADS8361 具有差分輸入。因此，會在正、負輸入端注入噪聲，其在算式中增加一個 sqrt(2) 因數： 噪聲=30μV/(sqrt(2)*sqrt (4.7MHz*1.5) )= 8nV/sqrt (Hz) (4) 此噪聲與放大器的帶寬無關（如果其帶寬高于3dB）。 對于ADS8361來說，可以使用 TI的 OPA227 放大器，為了增加裕度，外部電阻應低于1.7kΩ（大約 1.2kΩ）。目前，放大器的統一增益帶寬應等于或大于RC(f3dB, RC="1"/(2πRC)= 6.6MHz) 3dB。最大輸出電流應至少為 4.2mA（公式(3))，噪聲應低于 6.7nV（公式(4 ))。OPA227 可以滿足所有要求，并且以合理的價格提供卓越的偏移。OPA227 還可以為差分輸入或多信道應用提供雙運放或四運放版本。 模數轉換器需要合適的模擬前端。如果不細心選擇的話，就有可能增加噪聲，出現低電平振蕩，偏移會改變，而且也會影響線性。本文為優化模擬前端提供了指南，包括放大器的外部電阻、帶寬及噪聲。重要的是要牢記，某些應用可能會存在一些在這里沒有考慮到的非常特殊的要求。 |
