ADC需要采样保持器的原因及采样ADC的工作原理

如今大多数ADC芯片里都集成了采样保持功能，以便更好地处理交流信号，这种类型的ADC我们叫做采样ADC，可是早些时候的ADC并非采样类型，而只是一个简单的编码器。

非采样ADC的一个缺点是，如果在A-to-D的转换期间内，输入信号变化超过了1 LSB ，则输出数字码会出现较大的误差，多数ADC或多或少都会遇到这样的问题。下面通过一个简单计算来说明非采样ADC的输入频率限制。

 

图1 非采样ADC（编码器）的输入频率限制

因此，如果ADC的分辨率N=12且在转换时间内（dt=8 μs）允许输入信号出现1 LSB的变化，即dv=q，则通过上式得到最大的输入频率为：

这表明虽然该ADC支持100 ksps的采样率，但当输入信号的频率超过9.7 Hz时，非采样ADC将出现明显的转换误差。通过上面分析，非采样ADC的输入频率受到限制，而使用采样保持器（SHA）的采样ADC可缓解该问题。

 

带SHA的采样ADC工作示意图

如图2所示，理想SHA由简单开关SW、保持电容C以及驱动电容和后级电路的高输入阻抗缓冲器组成。其中开关SW用于采样和保持模式的切换，保持电容C用于储存输入信号的瞬时值。驱动C的高输入阻抗缓冲器用于提供电流增益对保持电容充电，而驱动后级的高输入阻抗缓冲器是为了防止SHA在保持模式下C放电超过1 LSB。

采样ADC的工作原理：采样模式下，SHA对信号进行采样；保持模式期间内保持信号恒定。调整时序，使得后级的ADC编码器在保持时间内对保持的信号进行A-to-D转换，由于保持模式下信号几乎不变，因此ADC可以处理快速变化的高频信号，处理的频率上限不由编码器决定，而是取决于SHA的孔径抖动、带宽和失真等性能。

回到上面的计算，SHA在2 μs内进行信号采样，而编码器在后面8 μs中进行A-to-D的转换，因此采样总周期仍为10 μs，满足100 ksps的采样率要求，但此时采样ADC在理想情况下可处理50 kHz的输入频率。

总结一下，输入交流信号频率高，变化快，输出数据存在较大的转换误差，ADC理论处理的上限频率低。前端SHA可缓解此问题，ADC仅转换保持时间内的信号，因此可处理快信号，上限频率限制由SHA的性能决定。

编辑：hfy