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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

  • 我认为对于低速ADC来说，一般不需要在ADC前端加运放放大器，而对于高速器件和需要比较精确的数据来说，前端必须加入适当的运算放大器，本文对此进行了详细的讲解，看完之后受益匪浅，对运放和ADC的使用更加清晰了。

  • 对于高精度 ADC的数据采集系统中，如果信号不是有运放输出的，输入信号后一般都跟一级放大器来做驱动。其实ADC手册中的单位增益带宽、采集时间等参数都是关注的，不过现在的ADC EVM板上都有电路图供参考，只需要参考设计即可。

  • 模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。以前并没有注意到ADC的输入级，都是直接将输入引脚接到被测的电压端或是接RC滤波之后再接到ADC输入端，有的场合出现过情况，有的则没有出现过意外情况。本文提供的思路解决了我的困惑，太感谢TI的Rick Downs了。

  • 目前大多数高精度模数转换器都具有一个电容性“采样与保持”片上放大器，其需要在每次转换前进行再充电。本文解决了大多数高精度模数转换器 (ADC) 都没有高阻抗输入，使用运算放大器来驱动高精度模数转换器就可以解决问题。谢谢Rick Downs分享！

  • 在以前做ADC设计时，对于交流信号使用运放转换后在送给ADC只是考虑对信号的调理作用，没有考虑这么全面。这篇文章从信号的输入分析，从ADC内部分析电路，的确得到了一些启发。

    在ADC内部有一个采样开关，采样开关后面有串一个电阻，然后接一个电容，这个电容电压反应输入信号的电压大小，电阻的大小可以忽略。也就是说，在采样开关闭合到采样开关断开，电容必须充满电。

    外接RC波放电路，C为电容提供电流，R阻止运算放大器承受纯容性负载。充放电时间常数是t = R*C; 这了保证采样精度，采样周期发布大于k*t的时间，这个条件我觉的比较重要，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，

    m.eet.com/.../6447231.pdf。  这里给出了详细的K的计算方法。

    选择运放时注意运放的带宽，必须大于 4(1/(2πRFLTCFLT)) ，保证运放比较快。

    我觉的要真正理解这偏文章，做好这方面的设计，反文章后面的链接最好也都看一下。