如何利用輸入高阻態(tài)技術(shù)降低解決方案功耗和尺寸

作者：Sanjay Rajasekhar and Arvind Shankar

多路復(fù)用（多路復(fù)用）逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）應(yīng)用具有尺寸和功率限制，通常由每通道模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)選擇決定。本文介紹了為什么配備模擬輸入高阻態(tài)（高阻抗）技術(shù)的多路復(fù)用SAR ADC是大幅減小解決方案尺寸和功耗而又不影響性能和精度的關(guān)鍵。

介紹

多路復(fù)用SAR ADC通常用于需要持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)中多個(gè)關(guān)鍵變量的應(yīng)用。在光通信應(yīng)用中，激光偏置可以通過(guò)光功率測(cè)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而在VSM應(yīng)用中可以監(jiān)測(cè)來(lái)自電極的EEG/ECG信號(hào)。這些多路復(fù)用應(yīng)用程序有一些共同的要求：

有許多頻道需要監(jiān)控。通常，ADC通過(guò)所有通道進(jìn)行排序。

通道電壓通常彼此不相關(guān)。

系統(tǒng)級(jí)尺寸和功耗存在嚴(yán)格的限制。

由于這些要求，出現(xiàn)了一些挑戰(zhàn)。當(dāng)ADC在一個(gè)通道上完成轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC內(nèi)的采樣電容充電至通道電壓。如果采樣電容上的該電壓與順序上的下一個(gè)通道電壓大不相同，則必須設(shè)計(jì)信號(hào)鏈，以便在允許的采集時(shí)間內(nèi)將采樣電容精確地建立到新電壓。傳統(tǒng)上，這個(gè)問(wèn)題的解決方案是使用寬帶驅(qū)動(dòng)放大器和RC濾波器。典型信號(hào)鏈如圖1所示。

圖1.具有傳統(tǒng)多路復(fù)用SAR ADC的信號(hào)鏈。

傳感器可以輸出電壓或電流，傳感器接口電路可以分別是儀表放大器或跨阻放大器。電容器通常為NP0/C0G類型，因?yàn)槠渌愋偷碾娙萜鲿?huì)導(dǎo)致明顯的失真。NP0電容器具有高線性度但低密度。選擇NP0電容的值也比ADC內(nèi)部采樣電容大得多。它執(zhí)行兩個(gè)關(guān)鍵功能：

減少ADC采樣電容的反沖

通過(guò)濾除超出所需建立帶寬的噪聲來(lái)降低信號(hào)鏈的寬帶噪聲

在傳統(tǒng)的信號(hào)鏈中，人們被迫使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器和一個(gè)大電容。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器放大器的功耗可能在十分之一mA到幾mA之間。每個(gè)電容器（包括間隙）可能占用約 1 mm2的電路板區(qū)域。在許多通道上復(fù)制該信號(hào)鏈會(huì)對(duì)系統(tǒng)尺寸和功耗產(chǎn)生顯著不利影響。這是當(dāng)今多路復(fù)用SAR ADC應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。

什么是輸入高阻技術(shù)？

在模擬輸入的上下文中，術(shù)語(yǔ)高阻態(tài)技術(shù)是指在不消耗靜態(tài)或連續(xù)功率的情況下大幅增加ADC的有效輸入阻抗的電路技術(shù)的集合。這使得ADC的輸入易于驅(qū)動(dòng)。

假設(shè)多路復(fù)用ADC在通道N – 1上轉(zhuǎn)換，下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的通道是通道N。

在轉(zhuǎn)換啟動(dòng)（CNV）的上升沿，對(duì)通道電壓進(jìn)行采樣。在圖2中，CNV的第一個(gè)上升沿對(duì)通道N – 1上的電壓進(jìn)行采樣。然后，ADC轉(zhuǎn)換通道N – 1上的采樣電壓。轉(zhuǎn)換后，禁用輸入高阻態(tài)，ADC繼續(xù)采集序列中的下一個(gè)通道，即通道N。通道N上的電壓通常與通道N – 1上的電壓有很大不同，ADC電容現(xiàn)在充電到通道N-1。這會(huì)導(dǎo)致通道N（深藍(lán)色虛線）上的電壓產(chǎn)生巨大的沖擊，并在采樣時(shí)刻（CNV的第二上升沿）引入較大的通道電壓誤差。這就需要一個(gè)大的外部電容器來(lái)吸收沖擊力，需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器來(lái)提供必要的電荷。

圖2.高阻態(tài)使能和禁用時(shí)AD4696的相位。

當(dāng)輸入高阻態(tài)使能時(shí)，ADC的內(nèi)部采樣電容在開(kāi)始實(shí)際采集之前充電至其將要采集的通道上的當(dāng)前電壓。在通道N – 1上轉(zhuǎn)換后，立即引入一個(gè)高阻態(tài)相位，將ADC采樣電容精確充電至通道N上的當(dāng)前電壓。這意味著，當(dāng)ADC采樣電容連接到外部輸入時(shí)，它不會(huì)產(chǎn)生任何電荷，也不會(huì)產(chǎn)生任何反沖。在實(shí)踐中，由于內(nèi)部開(kāi)關(guān)的電荷注入（第一次充電踢），通常會(huì)有很小的殘余誤差。這種小的殘余誤差導(dǎo)致通道N采樣時(shí)刻的建立誤差幾乎可以忽略不計(jì)。啟用高阻態(tài)時(shí)的這種電荷誤差將極大地改善系統(tǒng)的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)。

當(dāng)通道N上的采樣完成后，ADC必須繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，內(nèi)部開(kāi)關(guān)將ADC采樣電容與外部輸入斷開(kāi)。這會(huì)導(dǎo)致由于開(kāi)關(guān)開(kāi)路電荷注入而導(dǎo)致第二次充電踢。通常，第二次電荷踢有更長(zhǎng)的建立時(shí)間，因此第一次電荷踢的大小決定了通道上的建立誤差。因此，必須將第一次電荷踢的大小降至最低。

輸入高阻態(tài)技術(shù)作為EasyDrive的一部分集成到AD4696（最新一代多路復(fù)用SAR ADC）中?功能集。因此，AD4696在通道上開(kāi)始采集非常順利。它免除了為每個(gè)通道增設(shè)反沖吸收電容器和驅(qū)動(dòng)放大器的需要。這大大降低了系統(tǒng)尺寸和功耗，并顯著簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈，如圖3所示。

圖3.采用AD4696多路復(fù)用SAR ADC的信號(hào)鏈。

AD4696系列采用輸入高阻態(tài)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，執(zhí)行高阻態(tài)功能的電路都可以以轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行上電循環(huán)。因此，高阻態(tài)函數(shù)的功耗與ADC的吞吐速率成線性關(guān)系，就像核心SAR ADC本身一樣。與傳統(tǒng)的、相當(dāng)剛性的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)相比，這提供了極大的靈活性。

輸入高阻態(tài)功能也內(nèi)置于LTspice模型?的AD4696。對(duì)第一次和第二次電荷踢進(jìn)行精確建模，從而能夠可靠地仿真信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的穩(wěn)定偽影。

一些微妙之處

回想一下，NP0電容還為信號(hào)鏈提供寬帶噪聲濾波。現(xiàn)在我們想消除電容器，我們必須找到其他方法來(lái)過(guò)濾噪聲。實(shí)現(xiàn)相同有效信號(hào)鏈噪聲帶寬的一種簡(jiǎn)單方法是增加外部串聯(lián)電阻。AD4696內(nèi)置一個(gè)60 pF內(nèi)部電容和一個(gè)240 Ω典型內(nèi)部電容串聯(lián)。通過(guò)設(shè)置外部電阻，我們可以將信號(hào)鏈噪聲帶寬調(diào)諧到所需值。

如果沒(méi)有NP0電容，外部電阻在信號(hào)鏈的噪聲性能、線性度和精度方面起著重要作用。小值電阻有助于快速建立采樣電荷，從而提高線性度和精度，但代價(jià)是有效噪聲帶寬更高，導(dǎo)致總噪聲增加。相反，大阻值電阻可以更好地濾除噪聲，但代價(jià)是線性度和精度下降。

如下一節(jié)所述，AD4696中高阻態(tài)技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是，它允許使用大阻值電阻（以獲得更好的噪聲濾波），而不會(huì)降低線性度和精度。這樣可以優(yōu)化信號(hào)鏈中的所有參數(shù)——噪聲、線性度、精度、功耗和解決方案尺寸。

測(cè)量結(jié)果

測(cè)量采用2 kΩ外部電阻，無(wú)需任何NP0電容。結(jié)果表明，啟用模擬輸入高阻時(shí)，交流和直流性能顯著提高。該實(shí)驗(yàn)涉及AD4696內(nèi)核ADC以1 MSPS運(yùn)行，但選擇越來(lái)越多的通道作為循環(huán)序列的一部分。數(shù)據(jù)在一個(gè)通道上收集，而序列中的其他通道則提供0 V輸入。

圖4顯示了1 kHz、–1 dBFS音調(diào)下目標(biāo)通道的失真性能。當(dāng)通道在禁用高阻態(tài)的情況下排序時(shí)，由于采樣電容未充電至后續(xù)通道電壓，因此會(huì)出現(xiàn)非線性建立誤差。這會(huì)導(dǎo)致明顯的失真。啟用高阻態(tài)后，失真性能有了很大的改善。

圖4.THD 與序列中的通道數(shù)的關(guān)系。測(cè)試音：1 kHz，–1 dBFS。

圖5顯示了帶和不帶高阻態(tài)功能的直流穩(wěn)態(tài)建立誤差。在該測(cè)試中，目標(biāo)通道提供接近滿量程的輸入，序列中的其他通道以0 V驅(qū)動(dòng)。 在目標(biāo)通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)向序列添加越來(lái)越多的通道，并繪制平均輸出代碼與預(yù)期代碼的偏移。

圖5.16位電平LSB中的直流建立誤差。

當(dāng)內(nèi)核ADC以低于1 MSPS的吞吐量運(yùn)行時(shí)，用戶可能需要進(jìn)一步降低有效信號(hào)鏈噪聲帶寬，以限制模擬前端噪聲混疊。這將需要更高的電阻值，而高阻態(tài)功能極大地有助于在這些條件下保持性能。

結(jié)論

AD4696系列器件采用的輸入高阻態(tài)技術(shù)為多路復(fù)用SAR應(yīng)用提供了無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，例如降低系統(tǒng)級(jí)功耗、減小尺寸和減少元件數(shù)量等，同時(shí)保持高水平的交流性能和直流精度。它免除了每個(gè)通道對(duì)專用驅(qū)動(dòng)器放大器和反沖吸收電容器的需求。高阻態(tài)功能本身的功耗與ADC的吞吐速率成比例，為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)提供了出色的靈活性和多功能性。AD4696的LTspice模型可用于仿真用戶希望設(shè)計(jì)的任何系統(tǒng)中的電荷踢效應(yīng)。

審核編輯：郭婷