ADC前端驱动电路该怎么加？听杨老怎么说

模数转换器（ADC）能够将模拟量转变成数字量，因此它是电学测量、控制领域中一个极为重要的部件。一般来说，一个模拟电压信号，在进入ADC的输入端之前，都需要增加一级驱动电路（Driver）；但是也有一些ADC具有“极贴心设计”的输入端，这就无需在前级增加驱动电路了。那么到底什么时候该加，什么时候不该加呢？且听杨老师娓娓道来~

向下箭头分割线GIF动态加或不加，都得从原理说起，毕竟原理才是学习模电的重点。首先我们要知道，为什么要给ADC前端增加驱动电路？杨老在这儿给出了5条理由，包括：

* 输入范围调整* 输入类型转换* 低阻输出，以减小测量误差* 输入类型转换* 抗混叠滤波

其中，只要有一条是必要的，就必须使用ADC驱动电路。下面进行一一分析。

输入范围调整

任何一个ADC，都有输入电压范围。当实际输入电压超出此范围，将引起ADC转换失效。而被转换的信号，并不能保证在此范围内，这就需要ADC驱动电路将其调整到合适的范围之内。

输入范围调整，包括对信号的增益改变，以及直流电平移位两个功能。

输入类型转换

原始输入信号的输出类型有两种：单端型、差分型。而ADC的输入类型有三种：单端型、全差分型和伪差分型。如果两者不一致，就会影响ADC性能发挥。这就需要类型转换电路，将信号类型演变成与ADC一致的类型。

一个电压信号，如果用两根线传输，且两线电位做相反变化，则此信号为差分信号。一个电压信号，如果用一根线传输，且默认地线为参考点，则此信号为单端信号。ADC的输入端类型则稍复杂一些：

单端型：它只有一个输入端AIN，实际输入信号为此输入端电压uIN。

全差分型：它有两个完全对称的输入端AIN+、AIN-，对应的电压为uIN+、uIN-，则实际输入电压为，uIN+减去uIN-。

伪差分型：它有两个不对称的输入端AIN+、AIN-，对应的电压为uIN+、uIN-，则实际输入电压为，uIN+减去uIN-。关键是，AIN+端，允许输入信号满幅度变化，而AIN-端，像受欺负一样，只被允许小幅度变化。

图1 驱动电路实现信号和ADC之间的输入类型转换

图1是常见的两种输入类型转换。左边将差分信号转换成单端信号，适应于单端型ADC，右边电路将单端信号转换成差分信号，适应于后面的全差分ADC。这里有两点需要注意：

左边电路可以用另外一种方法实现，即将差分信号的一个端子直接接入单端ADC。

两个电路中，可以发现，输入都是骑在0V上的信号，而输出都变成了大于0V的信号（骑在某个正电压上），以适应于多数只能接受正电压输入的ADC。

低阻输出，以减小测量误差

有些原始信号，具有一定阻值的输出电阻。将这样的信号直接接入ADC，会带来测量误差。误差的根源：多数ADC内部都有采样电容，以实现采样保持功能。这种ADC的内部结构一般如图2和3所示。它由两组开关，一个采样电容CSAM，以及后续没有画出的转换电路组成。

左图2 ADC采样阶段 右图3 ADC转换阶段

抗混叠滤波

当输入被测信号频率为fi，那么按照奈奎斯特定律，要想完整采集信号，采样率fs必须大于2fi。当采样率小于2fi时，一定会出现混叠现象，即采集的波形中出现很低的混叠频率。图4演示了混叠频率的出现原因。图中输入信号为黑色的高频信号，当采样率小于2fi时，我们获得的采样点形成了红色的波形，其频率不是信号频率，而是混叠频率，很低。混叠现象欺骗了我们，因此我们不希望出现这种现象。一旦在数据中出现混叠频率，后期即便增加软件滤波，也是难以剔除的。

唯一的方法就是让大于fs/2的频率信号，不要出现在ADC的入端，或者这种频率分量在ADC入端只有很小的幅度。因此，增加驱动电路，以滤除或者减小高于fs/2的频率信号就成为必须。常见的方法是，给ADC入端之前，增加一级截止频率为fH的无源低通电路，以实现抗混叠滤波。

电源级保护

一般来说，ADC的价格（几美元到几十美元甚至更高）会高于前端放大器价格。用廉价的东西保护昂贵的东西，是一个常用的方法。而ADC的前级驱动电路，就可以实现这种保护。

将ADC前端的驱动电路，用一个安全的供电电压，就可以实现对ADC的电源级保护。所谓的电源级保护，是指驱动电路的输出，不可能超过电源电压。这样，只要选择电源电压在ADC输入端认可的安全范围内，就可以保证ADC的输入端不会超限。

图5 驱动电路实现对ADC的电源级保护

如图5所示。多数ADC输入端承受最高电压，就是其电源电压。因此，将ADC的供电电压与前端驱动电路的供电电压，选择成一致的，就可以实现对ADC入端的电源级保护了。