具有斬波的CMOS ADC

諸如高精度電機控制或等離子蝕刻機等工業(yè)應(yīng)用仍然無法充分利用先進高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的功能。由于這些系統(tǒng)監(jiān)視一個頻率為數(shù)百千赫的小輸入信號，以及其更小的諧波，它們對于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的1/f噪聲或閃爍噪聲非常敏感（請見圖1）。

圖1：出現(xiàn)1/f噪聲時的所需信號與其諧波

不幸的是，對于這些應(yīng)用來說，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 正在向更加精細、更加先進的處理參數(shù)發(fā)展。雙極晶體管的1/f噪聲轉(zhuǎn)角大約為100kHz；對于互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 晶體管來說（取決于實際的處理參數(shù)），這個值大約為10MHz，或者更大。所以，與雙極晶體管相比，CMOS ADC的1/f噪聲轉(zhuǎn)角要差/高很多，并且與很多工業(yè)應(yīng)用中使用的極低頻率輸入范圍直接重疊在一起。

不過，你可以用一個被稱為斬波前端的很巧妙，但是很有效的設(shè)計特性來克服這個限制。很多工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了全新的ADC3k系列，這是因為這款器件配備了一個內(nèi)部斬波前端。

斬波特性的工作方式

“斬波”這個名稱來自很多年前的一個電路；這個電路將DC電壓輸入轉(zhuǎn)換為一個可變DC輸出電壓。在現(xiàn)代的電子器件中，去掉周圍有害噪聲的各種不同開關(guān)電路都被歸為斬波電路。

在ADC3k中，斬波的主要思路在于，將1/f噪聲傳輸為一個不同的頻率范圍，遠離靠近DC的輸入信號?；旧?，斬波電路由一個無源混頻器（工作頻率為采樣率的一半）和某些數(shù)字邏輯電路組成。基本上，無源混頻器將采樣剛剛開始前的輸入頻譜反轉(zhuǎn)，而不是將1/f噪聲移到較遠的地方。因此，它將低頻輸入信號轉(zhuǎn)移到ADC那奎斯特區(qū)域的另一端。如圖2中所示，采樣后，數(shù)字混頻器將頻譜再次反轉(zhuǎn)，將所有內(nèi)容都變回到它們原來的位置上。

圖2：ADC3244的斬波實現(xiàn)細節(jié)

運行中的斬波

斬波被禁用的快速傅里葉變換 (FFT) 頻譜（圖3，左側(cè)）顯示了輸入信號，以及靠近DC的1/f噪聲。在啟用斬波特性后，輸入信號在10MHz上保持不變，而低頻1/f噪聲現(xiàn)在被移動到Fs/2上的那奎斯特區(qū)域的另一端。

這個斬波特性的確帶來了一個額外的、有害的副產(chǎn)品。正如你在圖3右側(cè)的FFT曲線圖中看到的那樣，這個無源混頻器在Fs/2還產(chǎn)生一個較大的雜散。這被稱為本地振蕩器 (LO) 饋通，其中的LO輸入被耦合到輸出頻譜中。這個雜散，連同有害的1/f噪聲，遠離的我們所關(guān)心得頻率范圍；然而，你可以使用數(shù)字濾波器將二者全都消除。

圖3：斬波被禁用的10MHz輸入信號（左側(cè)），以及斬波被啟用的10MHz輸入信號（右側(cè)）

傳統(tǒng)上，在低頻范圍內(nèi)需要極佳噪聲性能的工業(yè)應(yīng)用有可能只使用基于雙極晶體管的高速ADC，這些ADC提供最低的1/f噪聲系統(tǒng)配置。斬波是一個創(chuàng)新特性，它消除了CMOS轉(zhuǎn)換器的這個內(nèi)在缺點。增加斬波特性使得系統(tǒng)設(shè)計人員能夠利用先進的、功耗低很多的CMOS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

審核編輯：郭婷