分析源电阻引起的ADC系统失真

模数转换器（ADC）数据手册和应用通常建议使用低源阻抗驱动其输入。本应用笔记解释了在没有缓冲器的情况下使用高阻抗驱动ADC时可能产生的影响，例如增益误差增加和失真。

无穷无尽的数据手册和应用笔记指示模数转换器（ADC）用户以低源阻抗驱动ADC。然而，这些指令通常不会告诉我们如果不使用低阻抗会发生什么，以及它对电路性能的影响。本文解释了模数转换器输入端高源电阻引起的失真来源背后的原理和技术。

通过查看下面的图1中的简单电路，我们可以开始了解高源阻抗效应的问题。它满足了使用简单的分压器将±10V信号缩放至0至5V ADC输入的常见需求。

图1.使用简单的分压器调整ADC输入。

对于本电路，进入ADC的有效驱动阻抗是戴维宁等效阻抗，回头看分压器，等于分压电阻的并联组合。这种有限的输入电阻充当分压器，ADC的输入阻抗导致低频增益误差，如图2所示。

图2.有限输入阻抗引起的误差电流和电压。

除了增益误差之外，这种有限的输入电阻还会引起另外两个问题。第一个是建立时间误差。这是由于采样电容只允许在采样周期的一部分（称为采集周期）内充电。在此采集期间，由于输入电阻和输入采样电容产生的额外时间常数，建立时间将增加。该误差可以通过使用以下公式在采集时间段内使用输入电容和源阻抗查看RC时间常数的建立来估计：

沉降比 = 1-e-（收购/遥控）

这主要是线性误差，但可能有一些非线性分量。

第二个误差有时比上面讨论的增益误差更严重，是失真。这种失真的原因可以通过认识到ADC的输入电阻和输入电容产生具有频率相关增益误差的低通滤波器来理解。失真是由于电容器的正常电压相关特性而发生的，这意味着电容会随着施加的电压而变化。这种特性在半导体工艺技术中更为明显。

描述电压曲线一个区域这种变化的公式为：

C = C0× （ 1 + K × V- ），

其中

C0是标称电容，V是电容两端的电压，

K是半导体工艺和设计依赖常数。

该电容的典型曲线图如图3所示。

图3.电容器随施加电压的变化。

回到图2，这种电压相关的电容导致电容充电所需的电流随电压（除频率外）而变化。该电流通过ADC驱动阻抗，产生压降误差，该误差再次随电压变化。如果该误差与电压无关，则会产生线性误差，如上所述。但是，由于它与电压有关，因此会产生非线性误差。对于正弦波，此错误包含谐波。而且，由于该误差源于电流对电容充电，因此在直流时不存在该误差，并且随频率成比例地变大。

对于一个ADC，这种误差的一个数量级的例子是，在500kHz输入频率、1kΩ源阻抗和满量程输入电压下，产生70dB的THD。该失真分量将随阻抗和频率近似线性变化。例如，输入频率和源阻抗组合（5MHz，1kΩ）和（500kHz，10kΩ）将差10倍或20dB，产生50dB的THD。请注意，由于这种效应高度依赖于设计和半导体工艺，因此不同的ADC可能具有完全不同的数字。因此，这些数字不应应用于任何设计。

没有简单的方法可以确定这对您的电路有多大问题，因为半导体制造商没有指定电压相关输入电容等参数。最好的建议是遵循制造商的建议，了解满足所述性能所需的输入电阻的最大尺寸。始终以尽可能低的阻抗驱动ADC的输入始终是一种很好的做法。

更好的解决方案是使用在IC上集成上述电阻分压器的IC产品。对于这些产品，IC设计工程师已考虑和/或补偿源阻抗的影响，以确保器件符合其失真规格。

MAX1159、MAX1189、MAX1132-35和MAX1142-45等经过预先设计的器件可将较高输入电压转换为内部较低电压。这些转换器具有各种电源电压、输入电压和分辨率（#位），如下表1所示。

部分	输入电压范围	软件 可选 输入范围	电源轨	分辨率	采样率	接口
最大 1132	0 ..12V， ±12V	是的	5V	16	200	SPI- 串行
最大 1133	0 ..4V， ±4V	是的	5V	16	200	SPI- 串行
最大 1134	0 ..6V， ± 6V	是的	3.3V	16	150	SPI- 串行
最大 1135	0 ..2V， ± 2V	是的	3.3V	16	150	SPI- 串行
最大 1142	0 ..12V， ±12V	是的	5V	14	200	SPI- 串行
最大 1143	0 ..4V， ±4V	是的	5V	14	200	SPI- 串行
最大 1144	0 ..6V， ± 6V	是的	3.3V	14	150	SPI- 串行
最大 1145	0 ..2V， ± 2V	是的	3.3V	14	150	SPI- 串行
最大 1157	0 ..10	不	5V，2.7..5.25 输出	14	135	SPI – 串行
最大 1159	± 10V	不	5V，2.7..5.25 输出	14	135	SPI – 串行
最大 1175	± 5V	不	5V，2.7..5.25 输出	14	135	SPI – 串行
最大 1179	±5V	不	5V，2.7..5.25 输出	16	135	SPI – 串行
最大 1187	0 ..10	不	5V，2.7..5.25 输出	16	135	SPI – 串行
最大 1189	± 10V	不	5V，2.7..5.25 输出	16	135	SPI – 串行
MAX1270	±10V， ±5V， 0..10V， 0..5V	是的	5V	12	110	SPI – 串行
MAX1271	± VRef， ± VRef / 2， 0..VRef， 0..VRef / 2	是的	5V	12	110	SPI- 串行
MAX127	±10V， ±5V， 0..10V， 0..5V	是的	5V	12	8	I2C – 串行
MAX128	± VRef， ± VRef / 2， 0..VRef， 0..VRef / 2	是的	5V	12	8	I2C – 串行
最大 196， 最大 197	±10V， ±5V， 0..10V， 0..5V	是的	5V	12	100	平行
最大 198， 最大 199	± VRef， ± VRef / 2， 0..VRef， 0..VRef / 2	是的	5V	12	100	平行