ADC分类选择及其前端配置技术

liyf

ADC作为数据采集系统中的转换器，它的应用包括了音频、工业流程控制、电源管理、便携式／电池供电仪表、PDA、测试仪器分析及测试仪表、医学仪表等领域。正因为它的用途如此广泛，所以作系统设计人员首先迂到是如何选择ADC，而选择ADC又必须了解它的分类与特征，在这基础上更要了解ADC前端设计技术，这样才能实现工控或检测系统的高可靠与高精度。本文将此作介绍分析。
1、基于架构的ADC分类
ADC按某架构分类有四大类，即Delta-Sigma( △∑ )ADC、逐次逼近型(SAR)ADC、大带宽△∑ADC及智能型ADC。在此仅对三类作分析。
1.1Delta-Sigma( △∑ )ADC

基本架构
△∑ADC由一个△∑调制器以及后序的数字抽样滤波器组成。 调制器由一个带DAC的反馈回路纽成，回路中包括了一个比较器及一个积分器。回路通过时钟同步。基本组成架构见图1所示。



图1
*特征
△∑转换器拥有非常高的分辨率，可理想的用于转换极宽频率范围(从直流到好几个MHz)的信号。在△∑ADC中，输入信号先通过一个调制器实现过采样，而后由数字滤波器所产生的、采样率较低的高分辨率数据流完成滤波及抽取。
△∑的架构模式允许牺牲分辨率来换取速度，或同时折衷换取速度及功耗。正是数据率、分辨率、功耗三者之间密切且不间断的联系，使得△∑转换器格外的灵活。在很多△∑转换器中，分辨率是可编程设定的，从而使单个器件能满足多个不同度量的需求。
△∑转换器对输入过采样，因而能在数字域完成大多数的反锯齿滤波。现代的超大型集成电路设计技术已经使得复杂数字滤波器的成本远低于同等的模拟滤波器。原来不同寻常的某些功能，诸如对50Hz及60Hz的带阻滤波，现在已经内置到很多的△∑ADC之中。
△∑转换器的运作有别于逐次逼近型(SAR)转换器。SAR转换器获得输入电压的一个“映像”，通过对“映像”的分析决定响应的数字代码。而△∑测量的是一段确定时间的输入信号，其输出响应的数字代码是根据信号的时间平均得来的。对于△∑的工作方式有清晰的认识是很重要的，特别是对于设计中包含多路复用技术及同步的情况。
对多个△∑转换器的同步并不困难，因此很容易实现多个转换器的同时刻采样，而比较困难的则是实现△∑转换器与外部事件的同步。△∑转换器还对系统时钟抖动(CIock iftter)有极高的抵抗能力。其过采样功能有效的平均了抖动，降低了其噪声影响。
*应用
△∑的典型高精度应用包括了音频、工业流程控制、分析及测试仪表、医学仪表。
近期ADC架构领域的革新带来了新一代的ADC架构，此架构同时采用了流水线及过采样率准则。因此，超高速转换器将数据率推向了MSP5(百万抽样率每秒)的级别，同时保持了16位甚至更高的精度。这样的速度支持了众多最新的大带宽信号处理应用，例如通信及医学成像。
1.2大带宽△∑ADC特征
大带宽△∑ADC具有非常高的分辨率，可转换覆盖极宽频率范围的信号--从直流至若干MHz。采用此类ADC的系统将得益于其高速、高精度性能以及大带宽(直流至5MHz)。此类ADC采用了多级的调制器架构，从而提供了优异的内在稳定性，并通过降低过采样率(OSR)提高了信号量化噪声比(SQNR)。此外，该高速的△∑转换器具有非常强的系统时钟抖动耐受性。过采样的操作弱化了抖动，降低了噪声的影响。速度及精度的结合可支持大带宽信号处理的应用。以用于生物医学、台架(bench)测试和测量以及通信应用中先进的科学仪表。
1.3逐次逼近型(SAR)ADC
*基本架构
在SARADC内部。数位是由单个高速、高准确度比较器一位一位确定的，从MSb／最高有效㈣到LSb／最低有效62)。比较的坌过程是通过模拟输入信号与DAC的输出比较．而后根据比较结果。在DAC输出端先前确定的数位的基础上不断的调整，使DAC输出信号逐步逼近模拟信号．并最终完成转换。基本组成架构见图2所示。



图2
                          
                       
                          
                               
*特征
逐次逼近存储(SAR)转换器是针对中等采样速率的中高分辨率应用常用的架构。SARADC分辨率范围从8位至18位不等，典型速度值低于10MSPS，拥有较低的功率损耗及小外形。SAR转换器依照与平衡校准类似的原理运作。在校准时，未知重量被置于天平的一端，同时将已知重量添加置另一端，通过减少或添加(kept)直至两端达到完美的平衡。未知重量可通过添加的已知总量的总数测量得出。在SAR转换器中，输入信号是未知量，通过采样并保持。该电压随后将于连续的已知电压比较，其结果由转换器输出。但与重量测量不同．转换可通过电荷再分配技术在非常短的时间内完成。
由于SAR AD C需要对输入信号采样，并将采样值保持到转换完成，其架构并不产生对自然输入信号的损耗，因此也并不要求输入信号是连续的。这也使得SAR架构可理想的用于转换器前置多路复用器的应用，或用于转换器只需要每几秒钟测量一次的应用以及对测量的耐久性有需求的应用。在转换时间保持不变得多种情况下，SAR架构的转换器较之流水线型或厶∑转换器拥有更短的采样至转换延时。
*应用
SAR转换器是各类实时应用的理想选择，例如工业控制、电机控制、电源管理、便携式／电池供电仪表、PDA(个人数字助理，也称掌上电脑)、测试仪器及数据／信号采集。
2、关于宽带ADC前端设计技术--驱动ADC的放大器配置技术
高性能模数转换器(ADC)“前端”的输入配置设计对达到要求的系统性能至关重要。优化总体设计取决于很多因素，包括应用性质、系统组成和ADC的结构。以下仅就使用放大器影响ADC前端设计的一些重要的考虑作分析。
2.1首先要说明驱动模数转换器的放大器配置技术的基本理念
数据采集系统通常需要在ADC前端前置放大器以缓冲输入信号。由于采样及转换期间的容性充电及切换，使得绝大多数的现代ADC都具有复杂的输入特征。该操作在ADC的输入端所产生的瞬态电流将扰乱并扭曲精密的模拟输入信号。而输入放大器配置或伺服则可以在存在此类电流瞬变时提供一个稳定、精确的信号。同时还可提供增益(或衰减)、电平切换、滤波以及其他信号调节能力。选择输入运算放大器需要进行多方面考虑。通过直流精确性选取可大大缩小放大器选择的范围。所选的放大器必须具有足够低的偏置电压、偏置点电压漂移、输入偏置电流、噪声等等，以满足精确度的需求。但动态性能的特性的考虑，往往是选择过程中最棘手的问题。因为放大器必须具有满足要求的动态信号特性，。如多路数据采集系统要求运算放大器具有卓越的动态性能。
*放大器配置技术的几个指标因素
时域问题--某些应用要求放大器在输入电压变化的全刻度范围内都有精确的响应。例如，多输入系统的可能出现两个相邻输入端的输入电压信号值都等于满刻度值的情况。放大器及ADC必须在单个采样周期内对此类突然的全刻度变化做出响应。
稳定时间--通常用来描述放大器对大改变量的输入信号响应的能力(见图3所示)输出电压与时间的特性曲线。



图3
稳定时间包括了取决于转换速率的大信号周期以及取决于放大器带宽的小信号稳定周期。转换时间因步长不同而各异。尽管只对特定的步长作了一般性的规定，但对于其它步长的稳定时间还是可从单步的转换期段推断得出。
稳定波形的小信号期段(small-signal portion)受到输入放大器增益的影响。如果放大器被置为较高的增益，系统带宽会下降，从而比例性的增加了稳定波形的小信号期段。
频域性能--许多ADC都被用于数字化动态波形，例如音频。在此类系统中，快速的全刻度信号阶变很少出现，甚至不可能碰到。因此，此类系统的优劣一般以数字化信号的谱纯净度作为衡量准则。支持此类应用的放大器，应带有所需的防失真性能。许多放大器都采用了THD+N(总谐波失真+噪声)进行详细标明。当然也存在其它方面的衡量。所有这些衡量都采用纯净正弦波(或合成正弦波)，并测定输入端不含有，而在输出端出现的光谱内容。
*放大器配置技术中的RC网络应用
输入放大器通常通过RC网络连接到ADC，见图4所示虚线框图。



图4
虽然常被称为滤波器，但此类网络实际上是因ADC输入电路而产生的电流脉冲出现时的一个伺服”调速轮”(flywheel)。RC网络电路的取值同时取决于放大器及ADC的特性，并经常需要针 对特殊应用进行优化。最适宜的电容一般为ADC输入电容值的10=+50倍。电阻值的选择则应当满足速度或应用需求的带宽的要求。
3、驱动ADC的放大器配置技术-实用举例
3.1为什么选择放大器，而不选择变压器？
放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流(DC)电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流(AC)器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加--电压增益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。
                          
                       
                          
                               
放大器通常产生的噪声有多大？如何减少这些噪声？
举例考虑—个典型的放大器，例如ADA49371，如果设置增益G=1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是

，与此频带可比的采样速率为80MSPS的AD9446-802ADC的输入噪声谱密度是

。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽(中心频率位于500MHz)，而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区(40MHz)。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是155μVrms，ADC的噪声有效值是90μV。从理论上讲，总系统的信噪比(SNR)降低了6db。为了从实验上证实这—点，用ADA4937驱 动的AD9446-80测量的SNR结果是76dbFS，本底噪声是-118db。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果足82dbFS。因此用放大器驱动ADC可将SNR降低6db。
为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100 MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71 μV， 使ADC的信噪比仅降低3db。使用双极点滤波器改善了SNR达到79 dbFS，本底噪声为-121db。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24Ω的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器，见图5所示的使用外接双极点噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80ADC原理图。



图5
3.2驱动（△∑ )ADC的放大器配置技术
*输入缓冲器技术
许多△∑转换器包含了输入缓冲器及可编程增益放大器(PGA)。输入缓冲器增加了输入阻抗，允许直接连接高源阻抗的信号。可编程增益放大器增加了测量小信号时转换器的精确度。桥接式传感器就是在转换器中利用了PGA优势的信号源的典型示例。
所有的ADC都需要一个基准，对于高分辨率的转换器来说，拥有一个低噪声、低漂移的基准是至关重要的。大多数的△∑转换器都采用了差分基准输入。
*举例--以新型桥接传感器作为△∑ADC的模拟前端的ADS1230/32/34型△∑ADC芯片。
用于桥接传感器的完全模拟前端ADS1230/32/34型△∑ADC芯片是分别为精密型20位及24位 △∑ADC，具有一个板载超低噪声可编程增益放大器(PGA)及内置振荡器PGA支持用户自选择增益： 1、2。64、128。该ADC具有235位有效分辨率。由3阶调制器及4阶数字滤波器组成，支持10SPS及80SPS的数据率。器件的所有功能都可通过专用的I/O引脚控制，简化了运转模式。图6为ADS1230结构组成示意图。



图6
*主要特点
超低噪声：10SP5时为17nVRMS(PGA=128)，80SP5时为44n nVRMS(PGA=128)V；增益为64时，无噪声分辨率可达19．2位；优异的50至60MHz抑制性能(于10SP5时)；单通道差分输入为AD51230；双通道差分输入为AD51232；四通道差分输入为AD51234；内置温度传感器，有简易的双线串行数字接口；电源电压范围为2.7V至5.25V；封装模式为：TSSOP-16封装(AD51230)，TSSOP-24封装(AD51232)，TSSOP-28封装(AD51234)。可在衡器、应变测量与压力传感器及工业流程控制等设备上应用。
3.2驱动逐次逼近型(SAR)ADC的放大器配置技术
现代的SAR ADC使用简化的电容接受输入信号的电压充电。由于ADC存在输入电容、输入阻抗以及外部电路，因此需要一个稳定时间使采样电容的电压与所测量的电压等值。最小化外部电路的源阻抗是降低的稳定时间的途径之一，并同时确保了在ADC的采集时间内输入信号被准确的获取。但是，另一个更为棘手的设计约束则是SAR ADC输入端所具有的、用以驱动电路的动态负载。
当采用运算放大器驱动器驱动ADC输入时，运算放大器必需能承载这样的动态范围，并在采集时间内稳定于所需要的精度范围。
SAR ADC的基准输入回路也会给基准电压带来相似的负载。尽管基准电压被认为是非常稳定的直流电压，但ADC基准输入端所呈献的动态负载使得这样的目标实现起来有了一定的难度。因此需要为基准电压配备缓冲电路，并且为此所使用的运算放大器应与驱动ADC输入端的运算放大器有着相似的要求。但实际上，此处对运算放大器的需求甚至要高于ADC输入端，因为基准输入必需在一个时钟周期内都保持稳定。部分转换器将这样的基准缓冲放大器内置于芯片中。在缓冲此类输入时，采用具有低宽带输出阻抗的运算放大器是保持此类转换器精确度的最好方法。