使用运算放大器来驱动高精度模数转换器

作者：Rick Downs，德州仪器 (TI) 高精度模拟应用工程经理

大多数高精度模数转换器 (ADC) 都没有高阻抗输入。输入信号直接通过一个开关连接到一个采样电容器。这种负载存在一些有趣的挑战。

有人试图通过直接连接一个电位计到输入来验证其 ADC 的运行，如图 1 所示。这样做的结果通常让人失望，因为获得的结果并不理想。这种情况下，在 ADC 输入上看到的信号呈现出巨大的峰值，因为大输入阻抗从采样电容器吸取电流，从而导致对电容器充电需要大量的电流。如果在转换器的采集时间 t_ACQ 内稳定下来，便不会出现问题。但是，如果没有在 t_ACQ 内稳定到 0.5 最低有效位 (LSB) 以下，则会损耗精度。

图 1 高源阻抗会引起精度损耗

图 2 显示了驱动一个高精度 ADC 的建议电路。C_SH 为 ADC 内部的采样电容，而 R_SW 为采样开关的导通电阻（通常低到可以忽略不计）。转换器的采集时间 t_ACQ 期间，采样开关关闭。

图 2 驱动高精度 ADC 的建议电路

外部 C_FLT 用于提供充电 C_SH 所需的瞬时电流，其必须至少为 20x C_SH。一般而言，1nF 较为合适。R_FLT 用于阻止驱动运算放大器承受纯电容性负载。这样，R_FLT 和 C_FLT 构建起一个时间常量为 τ = R_FLTC_FLT 的 RC 电路。

为了保证所有一切都及时稳定以获得精确的信号采集，t_ACQ 必须为 ≥ k τ，其中k = ln(2^(N+1))。K 为一个 N 位转换器稳定至 0.5LSB 要求的时间常量值。由此，您可以确定最大值 τ，以及 R_FLT 的值。

选择驱动运算放大器的关键参数是其单位增益带宽，其必须为 4(1/(2πR_FLTC_FLT)) 以足够快地稳定。一些设计人员通常会忘记这个要求，可能选择一款比要求慢得多的运算放大器，从而得到令人失望的结果。

如欲了解采样过程、RC 时间常量计算以及正确选择运算放大器的更多详情，敬请访问：

1. 《使用 SAR 模数转换器进行马达控制应用中的电流测量》(SBAA081)，作者：M. Oljaca 和 J. McEldowney，2002 年 10 月，网址：http://focus.ti.com/lit/an/sbaa081/sbaa081.pdf
2. 《设计 SAR ADC 驱动电路，第一部分：ADC 工作原理详解》作者：R. Downs 和 M. Oljaca，2006 年 2 月，网址：http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_022106.pdf
3. 《ADS8342 SAR ADC 输入》(SBAA127)，作者：M. Oljaca 和 B. Mappes，2005 年 1 月，网址：http://focus.ti.com/lit/an/sbaa127/sbaa127.pdf
4. 《设计 SAR ADC 驱动电路，第二部分：SAR ADC 输入行为》，作者：R. Downs 和 M. Oljaca，2006 年 10 月：http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_100306.pdf
5. 《设计 SAR ADC 驱动电路，第三部分：为 SAR ADC 设计优化的输入驱动电路》作者：R. Downs 和 M. Oljaca，2007 年 3 月：http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_031207.pdf
6. 《外部组件提升了 SAR ADC 精度》，作者：B. Baker 和 M. Oljaca，EDN，2007 年 6 月 7 日，pp 67-75，网址：http://www.edn.com/article/CA6447231.html。 
7. 《驱动 SAR ADC 首先是选择正确的运算放大器》作者：M. Oljaca 和 B. Baker，EDN，2008 年 10 月 16，pp 43-54，网址： http://www.edn.com/article/CA6602451.html