如何利用高輸入源阻抗提高ADC測量精度

本應用筆記討論了MAX11613 ADC與高輸入源阻抗的精度使用的方法。

介紹

無緩沖ADC因其設計簡單而常用。但是，這些ADC的采集時間有限，需要輸入信號在分配的時間內建立。這些ADC跟蹤輸入信號的間隔必須長于輸入信號的建立時間，才能獲得精確的轉換結果。因此，需要低輸入源阻抗。

逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 架構

逐次逼近寄存器（SAR）ADC經常用于采樣速率低于每秒5兆采樣（Msps）的中高分辨率應用。SAR ADC的分辨率通常為8至20位。它們具有低功耗和小尺寸。這些特性使ADC成為各種應用的理想選擇，如便攜式/電池供電儀器、筆式數(shù)字化儀、工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號采集。

SAR ADC基本上實現(xiàn)了二進制搜索算法。因此，雖然內部電路可能以幾兆赫茲（MHz）運行，但由于逐次逼近算法，ADC采樣速率只是數(shù)字的一小部分。

SAR ADC的基本架構非常簡單（圖1），但實現(xiàn)它有很多變化。模擬輸入電壓（V在） 處于跟蹤/保持狀態(tài)。N 位寄存器首先設置為中間量程（100...00，其中最高有效字節(jié) （MSB） 設置為 1），以實現(xiàn)二叉搜索算法。這會強制 DAC 輸出 （V代數(shù)轉換器） 為 V裁判/2，其中 V裁判是ADC的基準電壓。進行比較以確定 V 是否在小于或大于 V代數(shù)轉換器.比較器輸出為邏輯高電平或1，如果V電壓為1，則N位寄存器的MSB保持1在大于 V代數(shù)轉換器.相反，比較器輸出為邏輯低電平，寄存器的MSB為邏輯0，如果V為V。在小于 V代數(shù)轉換器.然后，SAR 控制邏輯移動到下一個向下的位，強制其為高電平，然后進行另一次比較。序列一直向下持續(xù)到最低有效字節(jié) （LSB）。轉換完成，N位數(shù)字字在寄存器中可用。

圖1.簡化的N位SAR ADC架構。

MAX11163等效輸入電路

MAX11613模擬輸入架構包含一個模擬輸入多路復用器（mux）、一個全差分采樣保持（T/H）電容、T/H開關、一個比較器和一個全差分開關電容式數(shù)模轉換器（DAC）（圖2）。模擬輸入多路復用器連接C電鍍在單端模式下的模擬輸入與差分模式下的+和–模擬輸入之間。

圖2.MAX11613等效輸入電路

T/H 開關位于軌道位置和 C電鍍在采集間隔期間對模擬輸入信號充電。T/H 開關在采集間隔結束時移動到保持位置，將電荷保留在 C 上電鍍作為輸入信號的穩(wěn)定樣本。開關容性DAC在轉換間隔期間進行調整，將比較器輸入電壓恢復到12位分辨率限制內的0V。此操作需要 12 個轉換時鐘周期。相當于轉移11pF x（V）的電荷在+ - V在-） 從 C電鍍到二進制加權電容DAC，形成模擬輸入信號的數(shù)字表示。

如果源阻抗較高（>1.5k？），采樣精度可能會受到影響，這會導致輸入信號的建立時間長于給定的采集時間。使用不同的源阻抗值進行了以下實驗。

實驗

MAX11163配置為測量三個通道的數(shù)據(jù)：CH0， CH1和 CH1以查看高阻抗源對測量精度的影響。圖3顯示了具有三種不同源阻抗的數(shù)據(jù)。CH0有低 50？源阻抗。CH1有 10k？源阻抗，帶有一個額外的 100pF 電容器，從模擬輸入連接到地。CH1有 10k？源阻抗。C的實測數(shù)據(jù)H0（1.0004V） 在輸入電壓為 1.0000V 時誤差約為 -0.04%。C的實測數(shù)據(jù)H1（0.9460） 的誤差約為 5.5%。MAX11613測得的1.0000V輸入電壓為0.9735，輸入端沒有額外的100pF電容。誤差約為 2.69%。

圖3.MAX11613從1.0000V輸入電壓捕獲不同源阻抗的數(shù)據(jù)。

準確性改進

可以使用三種方法來最小化具有較高源阻抗的采樣誤差。

方法 1.緩沖放大器

MAX44244配置為緩沖放大器（圖4）時，提供低輸出阻抗，用于MAX11613精確捕獲信號。MAX44244還具有2μV的極低失調，非常適合與MAX11163配對，用于高精度測量，輸入阻抗高達1MHz。MAX44244是緩沖放大器的最佳選擇，用于高達10MHz的更高輸入頻率。

圖4.MAX44242/MAX44244緩沖放大器

結果表明，當緩沖放大器連接在具有高輸入阻抗的兩個通道之后時，所有三個通道的低精度誤差僅為-0.04%。

圖5.緩沖放大器跟隨C的數(shù)據(jù)H1和 CH1（高輸入源阻抗）。

方法 2.高 CEXT 電容

通過在MAX11613 ADC的模擬輸入端在通道2（CEXT = 0.1μF）安裝高外部電容，器件的測量精度誤差大幅提高至-0.04%，就好像輸入具有低阻抗源（圖6）一樣。0.1μF的高電容可以存儲足夠的電荷，以便對內部采樣電容（C在).因此，建立時間僅為R在× C在而不是更長的（R源+ R在） × C在.因此，準確性顯著提高。

圖6.1.0000V輸入的數(shù)據(jù)。CH0源阻抗為 50？。CH1源阻抗是10K？100pF到地面。CH1源阻抗是10K？0.1μF接地。

提高測量精度的第二種方法僅適用于直流或近直流輸入信號，因為至少0.1μF的高輸入電容（CEXT）是這樣的。 該 0.1μF 電容器提供 1/（2 × 3.1416 × 10k？ × 0.1μF） = 159Hz 與 10k？輸入源阻抗。

方法 3.更低的外部 SCL 串行時鐘頻率

如果模擬輸入源阻抗較高，則采集時間常數(shù)會延長，并且轉換之間必須留出更多時間。實現(xiàn)高轉換精度的第三種方法是降低外部SCL串行時鐘頻率，以提供所需的額外轉換時間。圖7和圖8分別描述了SCL= 400kHz時1.37%和SCL= 90kHz時0.27%的精度誤差。

圖7.R源CH0= 50？， CH1= 10k？/1000pF， V在= 1.0000V， V模數(shù)轉換器（CH0） = 1.0004V （誤差 = -0.4%），V模數(shù)轉換器（CH1） = 0.9863V （誤差 = 1.37%）， f標準及校正實驗所= 400kHz。

圖8.R源CH0= 50？， CH1= 10k？/1000pF， V在= 1.0004V， V模數(shù)轉換器（CH0） = 1.0004V （誤差 = 0%）， V模數(shù)轉換器（CH1） = 0.9973V （誤差 = 0.27%）， f標準及校正實驗所= 90kHz。

結論

本文介紹了三種方法，以提高MAX11163在高輸入源阻抗下的測量精度。緩沖放大器方法是使用MAX44242實現(xiàn)高達5MHz高輸入頻率的最佳方案。MAX44244具有極低的失調電壓，僅為2μV，輸入頻率高達1MHz，因此可提供較低的精度誤差。對于高達 100Hz 的直流或低輸入頻率，更簡單、成本更低的解決方案是使用從模擬輸入連接到地的 0.1μF 高值電容器，為內部采樣電容器 （C電鍍).提高轉換精度的最便宜的方法是簡單地降低外部SCL串行時鐘頻率，這可以通過軟件更改來實現(xiàn)。

審核編輯：郭婷