【導(dǎo)讀】通過(guò)多路復(fù)用，每個(gè)系統(tǒng)可以使用更少的ADC，從而顯著節(jié)省功耗、尺寸和成本。本文重點(diǎn)討論采用高性能精密SAR型ADC的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)考慮、性能效果和應(yīng)用挑戰(zhàn)。
通過(guò)多路復(fù)用，每個(gè)系統(tǒng)可以使用更少的ADC，從而顯著節(jié)省功耗、尺寸和成本。逐次逼近型ADC(因?yàn)槠洳捎弥鸫伪平图拇嫫鞫３７Q為SAR型ADC)具有低延遲特性，很受多路復(fù)用系統(tǒng)的歡迎——這些系統(tǒng)要求對(duì)滿量程輸入步進(jìn)(最差情況)做出快速響應(yīng)，而不會(huì)產(chǎn)生任何建立時(shí)間方面的問(wèn)題。 SAR型ADC易于使用，功耗很低，并且尺寸較小。
本文重點(diǎn)討論采用高性能精密SAR型ADC的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)考慮、性能效果和應(yīng)用挑戰(zhàn)。
切換多路復(fù)用器的輸入通道時(shí)，ADC驅(qū)動(dòng)放大器必須在規(guī)定的采樣周期內(nèi)完成大電壓步進(jìn)的建立。 輸入可能會(huì)從負(fù)滿量程變換到正滿量程或從正滿量程變換到負(fù)滿量程，因此可能在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大輸入電壓步進(jìn)。 為了處理這種步進(jìn)，放大器必須具有寬信號(hào)帶寬和快速建立時(shí)間。此外，壓擺率或輸出電流限制會(huì)引起非線性效應(yīng)。
另外，驅(qū)動(dòng)放大器還必須解決采集周期開(kāi)始時(shí)SAR型ADC輸入端的電荷再平衡所導(dǎo)致的反沖影響。這可能會(huì)成為多路復(fù)用系統(tǒng)輸入建立的瓶頸。通過(guò)降低ADC的吞吐速率，從而延長(zhǎng)采集時(shí)間并使放大器有足夠的時(shí)間建立至要求的精度，可以緩解建立時(shí)間問(wèn)題。
圖1中的時(shí)序圖顯示了輸入幅度發(fā)生滿量程變化時(shí)，如何優(yōu)化每通道建立時(shí)間。ADC的周期時(shí)間通常包括轉(zhuǎn)換時(shí)間和采集時(shí)間(tCYC = tCONV + tACQ)，在數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般規(guī)定為吞吐速率的倒數(shù)。 轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，SAR型ADC的容性DAC與輸入端斷開(kāi)，經(jīng)過(guò)很短的開(kāi)關(guān)延遲tS后，便可將多路復(fù)用器通道切換至下一通道。這將為所選通道提供最長(zhǎng)的建立時(shí)間。
為了保證最大吞吐速率時(shí)的性能，多路復(fù)用系統(tǒng)的所有器件都必須在多路復(fù)用器切換與采集時(shí)間結(jié)束之間的時(shí)間里在ADC輸入端完成建立。多路復(fù)用器通道切換必須與ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間正確同步。多路復(fù)用系統(tǒng)可達(dá)到的吞吐速率等于單個(gè)ADC的吞吐速率除以采樣的通道數(shù)。
圖1 多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型時(shí)序圖
有些設(shè)計(jì)人員利用低輸出阻抗緩沖器處理多路復(fù)用器輸入端的反沖影響。SAR型ADC的輸入帶寬(數(shù)十MHz)和ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入帶寬(數(shù)百M(fèi)Hz)高于采樣頻率，期望的輸入信號(hào)帶寬通常在數(shù)十至數(shù)百kHz范圍內(nèi)，因此，多路復(fù)用器的輸入端可能需要一個(gè)RC抗混疊濾波器，用以防止干擾信號(hào)(混疊)折回到目標(biāo)帶寬并緩解建立時(shí)間問(wèn)題。 各輸入通道使用的濾波器電容值應(yīng)根據(jù)以下考慮精心選擇：若容值較大，它將有助于衰減多路復(fù)用器的反沖，但它也會(huì)降低前一放大器級(jí)的相位裕量，使其變得不穩(wěn)定。
為使RC濾波器具有高Q、低溫度系數(shù)，并且在變化電壓下具有穩(wěn)定的電氣特性，建議使用C0G或NP0型電容。應(yīng)選擇合理的串聯(lián)電阻值，使放大器保持穩(wěn)定并限制其輸出電流。 R不能過(guò)大，否則在多路復(fù)用器反沖后，放大器將不能給電容充電。
