工程師3 發表於 2018-05-11 11:57:00
模擬系統設計人員面臨許多設計挑戰。他們不僅需要選擇合適的集成電路（IC）器件，還必須準確地預測這些元器件在系統內的相互影響。由此看來， 模數（A/D）轉換器的設計是一項艱巨的挑戰，因為必須在系統級考慮各種不同的輸入採樣結構，並做出正確的選擇。本文將探討幾種通用的輸入採樣結構，並討論每種結構對系統其他部分的影響。
隨著數位化的普及和技術的發展，A/D轉換器的應用無處不見。在目前使用的眾多 CMOS A/D轉換器中，一種常用解決方案是使用 開關電容結構實現輸入採樣。在這種最基本的結構中，輸入部分由一隻體積相對較小的電容器和一個模擬開關組成，如圖1所示， 當開關設在位置1時，進入採樣過程，採樣電容器被充電至採樣節點的電壓（在此例中為VS）。然後，開關被切換至位置2，轉換到放電過程，此時採樣電容器上累積的電荷被放電或轉移至採樣電路的其他電路上。充電，然後放電，再充電，再放電，這一過程周而復始。
上述電路結構中，沒有使用緩衝器，而是直接利用開關電容器輸入，這樣會引起嚴重的系統級問題。因為在採樣過程中，將採樣電容器充電到採樣點電壓所需的電流必須由連接到A/D轉換器輸入端的外部電路來提供。當電容器切換到採樣節點（圖1中的開關位置1）時，需要大電流對電容器進行快速充電。實際上，這一瞬態電流的大小是採樣電容器容值、電容開關頻率和採樣節點電壓的函數。
該開關電流由下式表示： iin = CVf，其中，C為採樣電容器的電容值，V為採樣節點上的電壓（此例中為VS），而f為採樣開關的開關切換頻率。這個開關電流會在採樣節點產生較高的電流過衝峰值（如圖1所示）。
圖1 簡單的開關電容輸入結構
在對A/D轉換器的前端模擬電路進行設計時，必須考慮這一開關電流所帶來的不良影響。當該電流流經任何電阻時，都會產生壓降，從而在A/D轉換器的採樣節點處產生電壓誤差。如果轉換器的輸入端連接有高阻抗傳感器或高阻抗濾波器，那麼誤差將變得很大。
為了進行詳細的說明，引用一個例子，如圖2所示。該例中假設A/D轉換器的前端加有一個阻值為10kΩ的電阻，來隔離傳感器並改善靜電放電（ESD）保護功能。
圖2：帶串聯電阻的無緩衝開關電容輸入
此例中採樣電容器為10 pF，開關頻率為1 MHz。根據上式，瞬態電流約為25 µA。當這個瞬態電流通過輸入端串聯的10 kΩ電阻時，採樣節點上將會產生250 mV的電壓誤差。由於採樣點可能在下一個採樣周期之前達到穩定，因此這是最差情況下的估算值。具體的充電環路的建立時間取決於10 kΩ電阻器和採樣電容以及A/D轉換器輸入端的寄生電容所構成的RC時間常數。寄生電容來自於A/D轉換器的連接導線、電路板走線長度以及內部MOS開關電容等。此外，可能需要外部緩衝器電路提供必需的電流，並確保採樣點得到正確設置以保持線性。然而，在更高開關頻率下，放大器輸出阻抗會增大。因此必須仔細選擇放大器和相關電路才能解決瞬態開關電流問題。
為儘可能減小外部電路所必須提供的大充電電流，以及因為開關高速切換所導致的瞬態電流過衝對系統帶來的不利影響，對圖1所示的基本電路結構進行了改進，具體改進電路如圖3所示。通過比較可以發現，改進後的電路在採樣電容之前加入了一個內部緩衝器。
圖3：帶緩衝的開關電容輸入
加入內部緩衝器後，模擬開關可組合成三種不同的狀態。在位置1處，採樣電容器被快速充電至採樣節點電壓（VS）加上或減去（具體視偏差電壓的極性而定）緩衝器電壓偏差（VOS）。在此階段，電容器充電所需的瞬態電流不再由外部電路提供，而是由內部緩衝器電路提供。對內部緩衝器進行優化設計，可使其在所要求的開關頻率下提供低輸出阻抗，以便在指定的充電時間內給電容正確地充電。然後，重新設置開關，使其連接到圖3中的位置2處。此階段採樣電容器直接連接到A/D轉換器的採樣節點。接著，採樣電容器被充電或放電，以便電容器電壓與採樣節點電壓相等。這時可能仍然存在少量開關電流，但所需的外部電路電流較小，因為電容器電壓已經被充電至內部緩衝器的偏置電壓範圍內。這種方案的關鍵是，必須精確計算開關被設置到位置1處的預充電時間，以避免該充電時間過長，從而造成過充電進而對輸入端的外電路反向放電。
最後，模擬開關切換到位置3，將採樣後的電壓傳送至採樣電路的其餘部分。這一階段與圖1所示的基本結構完全一樣。
通過比較發現，帶緩衝電路的開關電容輸入結構的優點是能夠大幅減少對A/D轉換器外部電路所需提供的瞬態電流。前面的例子中採樣電容器為10 pF，開關頻率為1 MHz。假設內部緩衝器電壓偏置為10 mV，通過合理控制預充電的時間後，最終在與外電路相關的充電階段所產生的瞬態電流僅100 nA，比不帶緩衝的採樣輸入瞬態電流小250倍。
有些情況下，可將一個固定或可編程增益放大器集成到A/D轉換器前端的器件中。集成的放大器不僅有助於減小必須由外部電路提供的開關電流，而且還能對模擬信號進行放大。此外，還可採用一個斬波穩定放大器來減小1/f噪聲，即所謂的「閃爍噪聲」。這種低頻噪聲是生產工藝固有的MOS電晶體通道表面狀態引起的。斬波可以消除1/f噪聲，並減小外部電流要求。然而，由於MOS開關的不匹配，電路中仍將存在少量輸入瞬態電流。
無論是何種採樣結構，A/D轉換器都必須採取 ESD保護。對於CMOS方案來說，一般採用鉗位二極體提供ESD保護，如圖4所示。鉗位二極體可有效限制加在轉換器內部電晶體上的電壓。如果輸入電壓與電源軌的差值超過二極體壓降（通常為0.7V），則二極體將導通，從而起到限制電壓的作用。但鉗位二極體同樣會出現電流洩漏，在設計模擬輸入電路時必須考慮這個問題。儘管這一洩漏電流通常較小，也許只有幾皮安，但該電流會隨著溫度升高而大幅增加。
圖4：CMOS ESD保護
隨著A/D轉換器的不斷發展，系統設計人員充分理解所採用的輸入結構以及這種結構對外部電路的影響變得越來越重要。本文討論了一個簡單的開關電容輸入結構。開關電流要求會對系統的整體性能產生巨大影響，因此必須合理設計外部電路。集成的緩衝器或放大器可大幅減小開關電流，簡化A/D轉換器外部電路設計。ESD保護電路也會影響外部電流要求，並且其影響隨溫度會有很大的變化。
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