了解模数（ADC）驱动器的功能

什么是模数转换器驱动器，为什么需要它？

顾名思义，模数转换器（ADC）驱动器是专门设计用于与ADC配合使用的专用放大器，包括逐次逼近、流水线和基于Δ-Σ的架构。这些专用放大器是使ADC能够全性能工作的关键电路元件，将在下一节中探讨。随着传感器在各种终端市场中变得越来越丰富，对模拟信号调理（包括ADC）的需求持续增长。这些终端市场包括：

通信

医疗

消费者

工业

汽车

对于ADC，市场趋势是更高分辨率和更高速的器件，因为此类解决方案的成本变得更加实惠。

了解 ADC 输入

在讨论ADC驱动器所需的技术功能之前，需要简要概述当今ADC的输入架构。差分信号可以定义为两个节点，它们在一个固定点（共模电平）周围具有相等但相反的信号。两个信号节点通常称为正负（同相和反相），如图1所示。

在上例中，满量程输入电压峰峰值差分为5V，每个桥臂峰峰值摆动2.5V。本例中的共模电平为2.5V。当今大多数高性能ADC都采用差分输入架构，因为它提供了卓越的性能（相对于单端输入）。这些性能优势包括能够抑制共模噪声和共模干扰信号，以及动态范围增加6 dB（或2倍）。
 

ADC可能会给系统设计人员带来特别困难的挑战，因为ADC提供了必须在系统级考虑的各种不同输入采样架构。出于本讨论的目的，重点将放在使用开关电容结构完成输入采样的ADC上。在最基本的形式中，这种输入结构由一个相对较小的电容和一个模拟开关组成，如下图2所示。

 

当开关配置在位置1时，采样电容充电至采样节点的电压，在本例中为VS。然后将开关翻转到位置2，然后采样电容上的累积电荷转移到采样电路的其余部分。然后，该过程重新开始。

如上所述，无缓冲开关电容输入可能会导致严重的系统级问题。将采样电容充电至适当电压所需的电流必须由连接到ADC输入端的外部电路提供。当电容器切换到采样节点（图1中的开关位置2）时，需要大量电流才能开始为电容器充电。该瞬时电流的大小是采样电容大小、电容开关频率以及采样节点上电压的函数。该开关电流可以用以下公式描述：

 

在上面的示例中，C是采样电容的电容，V是采样节点上的电压（在本例中表示为VS），f是采样开关打开和关闭的频率。该开关电流导致采样节点上出现高电流尖峰，如图2所示。

在设计A/D转换器前面的模拟电路时，必须考虑该开关电流的影响。当该电流通过任何电阻时，将发生压降，导致A/D转换器采样节点出现电压误差。如果输入节点在下一个采样周期之前未完全建立，也可能发生失真。

解决方案：ADC 驱动器

保持所需的传感器信号完整性以充分利用这些更高分辨率、更高速的ADC变得非常具有挑战性。随着ADC分辨率和速度的提高，传感器信号的噪声和失真的影响变得更加明显。在较高的ADC采样速度下，必须注意确保输入信号在采样事件之前已经稳定，并且更高带宽的信号不会混叠回目标信号带宽。

为了克服这些信号调理挑战，许多ADC应用需要一个能够提供足够建立和抗混叠的ADC驱动器。如上所述，大多数现代ADC都采用差分输入架构。ADC驱动器的主要功能之一是提供输入信号的单端至差分转换。

ADC驱动器的另一个功能是缓冲输入信号，从而将电路的其余部分与ADC输入节点上的电荷注入隔离开来。ADC驱动器提供瞬时电荷，以确保采样节点在跟踪时间内建立，从而最大限度地减少与建立相关的任何失真。

大多数ADC驱动器放大器还提供硬件引脚，使用户能够对共模电压进行电平转换。该特性非常适合确保产生的差分信号以ADC的输入电压范围为中心，从而最大化动态范围。

最后，与大多数放大器元件类似，ADC驱动器可以提供输入信号的放大以及有源滤波。应该注意的是，大多数ADC驱动器的额定增益相对较低，通常增益仅为1或2 V/V。通过保持放大器的闭环增益较低，环路增益最大化，从而获得最低失真。例如，如果放大器的开环增益为100 dB，而闭环增益配置为200或46 dB，则只有54 dB的开环增益裕量来确保线性度，或大约是500分之一。因此，通常有一个单独的增益级位于信号源附近。

为了充分利用数据转换器，ADC驱动器必须优化性能，同时为源信号增加可忽略不计的失真、噪声和建立时间误差。MCP6D11差分驱动器专为最大限度地提高高速ADC的性能而设计，例如MCP33131，这是一款16位、1MSPS SAR ADC。

审核编辑：郭婷