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deyisupport

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 tACQ 内稳定下来，便不会出现问题。但是，如果没有在 tACQ 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。CSH 为 ADC 内部的采样电容，而 RSW 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 tACQ 期间，采样开关关闭。

 

图 2 驱动高精度 ADC 的建议电路

 

外部 CFLT 用于提供充电 CSH 所需的瞬时电流，其必须至少为 20x CSH。一般而言，1nF 较为合适。RFLT 用于阻止驱动运算放大器承受纯电容性负载。这样，RFLT 和 CFLT 构建起一个时间常量为 τ = RFLTCFLT 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，tACQ 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 RFLT 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/(2πRFLTCFLT)) 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

 

Anonymous

  • “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/(2πRFLTCFLT)) 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。”这是一个经验之谈，学习。

  • 在使用上的确会忽略数模转换器(ADC)没有高阻抗输入，因此所读取的数据并不理想，学习了。

  • 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/(2πRFLTCFLT)) 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. 思路是重要的,抓住重点才能完成设计

  • 思路很不错,学习了.

    前边运放提供了高阻抗输入,中间提供一个缓部区可快速充电,只要各参数得当,肯定可以保证结果的正确性.

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

    批注：RC电路的时间常数τ=RC，即阶跃响应中，t=RC时间后，电压值变为原来的1/e。

    (2)为了保证所有一切都及时稳定以获得精确的信号采集，tACQ 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 RFLT 的值。

    个人估计的 k=ln(2^(N+1))推算过程：

    为保证转换误差低于0.5LSB的 要求，0.5LSB=0.5 * Vin/2^N=Vin/(2^(N+1)，

    而极端情况为阶跃响应，即输入电压从Vin直接降低至0，采用RC衰减：

     Vo=Vin*(1/e^(t/τ)，  

     要求Vo在tACQ内降低至0.5LSB，

    即：

    Vin*(1/(e^(t/τ)) <=(0.5LSB)，

    等效于：

    (e^(t/τ)>=2^(N+1)，因此t>=ln(2^(N+1))*τ，

    也即：

    k = ln(2^(N+1))

    疑问：

    K的计算是否是考虑阶跃情况呢？

    （3）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/(2πRFLTCFLT)) 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。

    批注：

    运放负载的-3dB带宽频率点为f0=1/(2πRFLTCFLT)，选择运放的单位增益带宽为f0的4倍，确保在ADC采样范围内运放不发生失真。

    注解：

    单位增益带宽定义为，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个频率可变恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，随着输入信号频率不断变大，输出信号增益将不断减小，当从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）时，所对应的信号频率乘以闭环放大倍数1所得的增益带宽积。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。