大部分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入均可連接到采樣電容器。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之前,電容器充電可達(dá)到輸入電壓（圖1(a)）。輸入開關(guān)關(guān)閉。在t0時,通過打開輸入開關(guān)保持信號（圖1(b)）�，F(xiàn)在,轉(zhuǎn)換器可以處理信號了。電容器（包括開關(guān)）通常稱為“采樣與保持級”。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計人員必須確定此電容器的容量。電容器容量越大,采樣噪聲（kT/C噪聲）越低。不過,電容器需要在轉(zhuǎn)換器的采樣期間（采集時間）再充電。以下例子說明進(jìn)行此操作的難度。
德州儀器公司 (TI) 推出的 ADS8361 是一款 500kHz的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其采樣電容器的容量是20pF,采集時間大約為 400ns。信號應(yīng)至少建立到最低有效位 (LSB) 大小的一半,其可以根據(jù)滿量程 (FSR) 進(jìn)行計算：
1 LSB = FSR / 216
也可以使用此數(shù)據(jù)計算再充電過程所需的帶寬 (f3dB)：在采集時間內(nèi) (Ta=400ns),運算放大器必須建立到 LSB 的一半,對于16位轉(zhuǎn)換器來說,其為滿量程 (FSR)) 的1/216+1。如果輸入信號Vin 在一次轉(zhuǎn)換期間根據(jù)FSR改變到下一次轉(zhuǎn)換,而且再充電是一階指數(shù)曲線的話,則在電容器(Vc)的輸入端收到以下電壓：
Vc(t)-Vin=FSR*e-Ta/τ<FSR/216+1
-Ta/τ<ln(1/216+1)=-(16+1)*ln2
τ< Ta/((16+1)*ln2)=34ns (1)
f3dB=1/(2πτ) = (16+1)*ln2/(2π*Ta) = 4.7MHz (2)
如果驅(qū)動運算放大器的輸出電流受到限制,則建立與時間不是指數(shù)關(guān)系,而是時間線性關(guān)系,運算放大器轉(zhuǎn)換（圖2）。這會增加建立時間。
再次假設(shè)兩次轉(zhuǎn)換輸入信號的變量是滿量程。對于 ADS8361 來說即為 5V。如果轉(zhuǎn)換采用一半采集時間,則運算放大器的轉(zhuǎn)換率 (SR) 必須至少為：
SR = 5V/0.2μs=25V/μs。
而且最大輸出電流必須大于：
C=△Q/△V=I*(△t/△V)=I/SR
I=C*SR=20pF*25V/μs=0.5mA
 
不幸的是,大多數(shù)放大器都存在電容性負(fù)載方面的問題。電容器旨在降低驅(qū)動放大器的相位裕度,并使其變得不穩(wěn)定。因此,放大器的輸出通常會出現(xiàn)某些振鈴（圖3）。
其振鈴一般很小,使用示波器不能觀察到,但是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以測量到。因此,DC輸入電壓需要被施加到驅(qū)動運算放大器。在轉(zhuǎn)換器的輸入代碼隨不斷增加的采集時間振蕩時,則很可能放大器存在振鈴。
為了防止放大器產(chǎn)生振鈴,需要從電容器斷開放大器。這可以通過在放大器與電容器之間放置電阻來實現(xiàn)（圖4）。
電阻的最大值 (Rmax) 可以利用在式 (1) 中計算得到的時間常數(shù)τ來計算：
τ = Rmax * C
Rmax = τ/ C = 1.7kΩ
請注意,替代電阻可以使用RC組合。此情況下,必須為上式中的內(nèi)部電容器C增加一個外部電容器Cex。另外,需要增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電阻（ADC),其在大部分情況下都可以被忽略,因為轉(zhuǎn)換器的輸入電阻只有幾歐姆。
此電阻可以帶來其他優(yōu)勢,只要最大輸出電流高于以下值,放大器就不會再轉(zhuǎn)換：
Imax = FSR/R (= 5V/1.7kΩ= 2.90mA) (3)
這使其建立行為更具有可預(yù)測性。
如果諧波失真 (THD) 是應(yīng)用的重要規(guī)范的話,則最大電阻可能會受到應(yīng)用的限制。
電阻器與采樣電容器共同構(gòu)成了一個低通濾波器。因此,在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出代碼中只能看到低于公式 (2) 所計算的3dB頻率的系統(tǒng)噪聲的頻譜。
另外,驅(qū)動放大器也會增加應(yīng)用的噪聲。為了確保其噪聲不高于系統(tǒng)噪聲,其總的均方根噪聲應(yīng)小于轉(zhuǎn)換器的噪聲。假設(shè)轉(zhuǎn)換器的均方根噪聲大約為30μV。其與180μV的峰至峰噪聲相關(guān)（大約 ADS8361的2.5LSB）。利用公式 (2) 所計算的4.7MHz 帶寬,放大器的噪聲應(yīng)該低于：
噪聲 = 30μV/sqrt (4.7MHz) = 13.8nV/sqrt (Hz)
請注意,這只是一種粗略估算。由于低通濾波器只以20dB/十進(jìn)制降低,使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以看到某些高于 3dB 的噪聲。為了更好的估算,頻率需要乘以 1.5。另外, ADS8361 具有差分輸入。因此,會在正、負(fù)輸入端注入噪聲,其在算式中增加一個 sqrt(2) 因數(shù)：
噪聲=30μV/(sqrt(2)*sqrt (4.7MHz*1.5) )= 8nV/sqrt (Hz) (4)
此噪聲與放大器的帶寬無關(guān)（如果其帶寬高于3dB）。
對于ADS8361來說,可以使用 TI的 OPA227 放大器,為了增加裕度,外部電阻應(yīng)低于1.7kΩ（大約 1.2kΩ）。目前,放大器的統(tǒng)一增益帶寬應(yīng)等于或大于RC(f3dB, RC=1/(2πRC)= 6.6MHz) 3dB。最大輸出電流應(yīng)至少為 4.2mA（公式(3)),噪聲應(yīng)低于 6.7nV（公式(4))。OPA227 可以滿足所有要求,并且以合理的價格提供卓越的偏移。OPA227 還可以為差分輸入或多信道應(yīng)用提供雙運放或四運放版本。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要合適的模擬前端。如果不細(xì)心選擇的話,就有可能增加噪聲,出現(xiàn)低電平振蕩,偏移會改變,而且也會影響線性。本文為優(yōu)化模擬前端提供了指南,包括放大器的外部電阻、帶寬及噪聲。重要的是要牢記,某些應(yīng)用可能會存在一些在這里沒有考慮到的非常特殊的要求。 |
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