如何利用高输入源阻抗提高ADC测量精度

本应用笔记讨论了MAX11613 ADC与高输入源阻抗的精度使用的方法。

介绍

无缓冲ADC因其设计简单而常用。但是，这些ADC的采集时间有限，需要输入信号在分配的时间内建立。这些ADC跟踪输入信号的间隔必须长于输入信号的建立时间，才能获得精确的转换结果。因此，需要低输入源阻抗。

逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 架构

逐次逼近寄存器（SAR）ADC经常用于采样速率低于每秒5兆采样（Msps）的中高分辨率应用。SAR ADC的分辨率通常为8至20位。它们具有低功耗和小尺寸。这些特性使ADC成为各种应用的理想选择，如便携式/电池供电仪器、笔式数字化仪、工业控制和数据/信号采集。

SAR ADC基本上实现了二进制搜索算法。因此，虽然内部电路可能以几兆赫兹（MHz）运行，但由于逐次逼近算法，ADC采样速率只是数字的一小部分。

SAR ADC的基本架构非常简单（图1），但实现它有很多变化。模拟输入电压（V在） 处于跟踪/保持状态。N 位寄存器首先设置为中间量程（100...00，其中最高有效字节 （MSB） 设置为 1），以实现二叉搜索算法。这会强制 DAC 输出 （V代数转换器） 为 V裁判/2，其中 V裁判是ADC的基准电压。进行比较以确定 V 是否在小于或大于 V代数转换器.比较器输出为逻辑高电平或1，如果V电压为1，则N位寄存器的MSB保持1在大于 V代数转换器.相反，比较器输出为逻辑低电平，寄存器的MSB为逻辑0，如果V为V。在小于 V代数转换器.然后，SAR 控制逻辑移动到下一个向下的位，强制其为高电平，然后进行另一次比较。序列一直向下持续到最低有效字节 （LSB）。转换完成，N位数字字在寄存器中可用。

图1.简化的N位SAR ADC架构。

MAX11163等效输入电路

MAX11613模拟输入架构包含一个模拟输入多路复用器（mux）、一个全差分采样保持（T/H）电容、T/H开关、一个比较器和一个全差分开关电容式数模转换器（DAC）（图2）。模拟输入多路复用器连接C电镀在单端模式下的模拟输入与差分模式下的+和–模拟输入之间。

图2.MAX11613等效输入电路

T/H 开关位于轨道位置和 C电镀在采集间隔期间对模拟输入信号充电。T/H 开关在采集间隔结束时移动到保持位置，将电荷保留在 C 上电镀作为输入信号的稳定样本。开关容性DAC在转换间隔期间进行调整，将比较器输入电压恢复到12位分辨率限制内的0V。此操作需要 12 个转换时钟周期。相当于转移11pF x（V）的电荷在+ - V在-） 从 C电镀到二进制加权电容DAC，形成模拟输入信号的数字表示。

如果源阻抗较高（>1.5k？），采样精度可能会受到影响，这会导致输入信号的建立时间长于给定的采集时间。使用不同的源阻抗值进行了以下实验。

实验

MAX11163配置为测量三个通道的数据：CH0， CH1和 CH1以查看高阻抗源对测量精度的影响。图3显示了具有三种不同源阻抗的数据。CH0有低 50？源阻抗。CH1有 10k？源阻抗，带有一个额外的 100pF 电容器，从模拟输入连接到地。CH1有 10k？源阻抗。C的实测数据H0（1.0004V） 在输入电压为 1.0000V 时误差约为 -0.04%。C的实测数据H1（0.9460） 的误差约为 5.5%。MAX11613测得的1.0000V输入电压为0.9735，输入端没有额外的100pF电容。误差约为 2.69%。

图3.MAX11613从1.0000V输入电压捕获不同源阻抗的数据。

准确性改进

可以使用三种方法来最小化具有较高源阻抗的采样误差。

方法 1.缓冲放大器

MAX44244配置为缓冲放大器（图4）时，提供低输出阻抗，用于MAX11613精确捕获信号。MAX44244还具有2μV的极低失调，非常适合与MAX11163配对，用于高精度测量，输入阻抗高达1MHz。MAX44244是缓冲放大器的最佳选择，用于高达10MHz的更高输入频率。

图4.MAX44242/MAX44244缓冲放大器

结果表明，当缓冲放大器连接在具有高输入阻抗的两个通道之后时，所有三个通道的低精度误差仅为-0.04%。

图5.缓冲放大器跟随C的数据H1和 CH1（高输入源阻抗）。

方法 2.高 CEXT 电容

通过在MAX11613 ADC的模拟输入端在通道2（CEXT = 0.1μF）安装高外部电容，器件的测量精度误差大幅提高至-0.04%，就好像输入具有低阻抗源（图6）一样。0.1μF的高电容可以存储足够的电荷，以便对内部采样电容（C在).因此，建立时间仅为R在× C在而不是更长的（R源+ R在） × C在.因此，准确性显着提高。

图6.1.0000V输入的数据。CH0源阻抗为 50？。CH1源阻抗是10K？100pF到地面。CH1源阻抗是10K？0.1μF接地。

提高测量精度的第二种方法仅适用于直流或近直流输入信号，因为至少0.1μF的高输入电容（CEXT）是这样的。 该 0.1μF 电容器提供 1/（2 × 3.1416 × 10k？ × 0.1μF） = 159Hz 与 10k？输入源阻抗。

方法 3.更低的外部 SCL 串行时钟频率

如果模拟输入源阻抗较高，则采集时间常数会延长，并且转换之间必须留出更多时间。实现高转换精度的第三种方法是降低外部SCL串行时钟频率，以提供所需的额外转换时间。图7和图8分别描述了SCL= 400kHz时1.37%和SCL= 90kHz时0.27%的精度误差。

图7.R源CH0= 50？， CH1= 10k？/1000pF， V在= 1.0000V， V模数转换器（CH0） = 1.0004V （误差 = -0.4%），V模数转换器（CH1） = 0.9863V （误差 = 1.37%）， f标准及校正实验所= 400kHz。

图8.R源CH0= 50？， CH1= 10k？/1000pF， V在= 1.0004V， V模数转换器（CH0） = 1.0004V （误差 = 0%）， V模数转换器（CH1） = 0.9973V （误差 = 0.27%）， f标准及校正实验所= 90kHz。

结论

本文介绍了三种方法，以提高MAX11163在高输入源阻抗下的测量精度。缓冲放大器方法是使用MAX44242实现高达5MHz高输入频率的最佳方案。MAX44244具有极低的失调电压，仅为2μV，输入频率高达1MHz，因此可提供较低的精度误差。对于高达 100Hz 的直流或低输入频率，更简单、成本更低的解决方案是使用从模拟输入连接到地的 0.1μF 高值电容器，为内部采样电容器 （C电镀).提高转换精度的最便宜的方法是简单地降低外部SCL串行时钟频率，这可以通过软件更改来实现。

审核编辑：郭婷