如何利用輸入高阻技術(shù)來降低解決方案的功耗并減小尺寸

Sanjay Rajasekhar 和 Arvind Shankar

在多路復(fù)用(muxed)逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SAR ADC)應(yīng)用中，一般會(huì)有尺寸和功耗限制，這通常取決于每通道模擬信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)選擇。本文說明為什么采用模擬輸入高阻（高阻抗）技術(shù)的多路復(fù)用SAR ADC是在不影響性能和精度的情況下大幅減小解決方案尺寸和降低功耗的關(guān)鍵。

引言

多路復(fù)用SAR ADC通常用于需要不斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多個(gè)關(guān)鍵變量的應(yīng)用。在光通信應(yīng)用中，可以通過光功率測(cè)量監(jiān)測(cè)激光偏壓，而在VSM應(yīng)用中可以監(jiān)測(cè)來自電極的EEG/ECG信號(hào)。這些多路復(fù)用應(yīng)用有一些共同的要求：

有很多通道需要監(jiān)測(cè)。一般來說，ADC會(huì)按順序監(jiān)測(cè)所有通道。

通道電壓通常彼此不相關(guān)。

在系統(tǒng)尺寸和功耗方面存在嚴(yán)格的限制。

由于上述這些要求，設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。當(dāng)ADC在一個(gè)通道上完成轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC內(nèi)的采樣電容會(huì)充電至該通道電壓。如果采樣電容的電壓與序列中下一個(gè)通道的電壓相差很大，則必須通過信號(hào)鏈設(shè)計(jì)，使采樣電容能夠在允許的采樣時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地穩(wěn)定在新電壓。過去通常是使用一個(gè)寬帶驅(qū)動(dòng)放大器，再配合一個(gè)RC濾波器來解決這個(gè)問題。典型的信號(hào)鏈如圖1所示。

圖1. 采用傳統(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，而傳感器接口電路可以分別是一個(gè)儀表放大器或一個(gè)互阻抗放大器。電容通常為NP0/C0G型，因?yàn)槠渌愋偷碾娙輹?huì)造成明顯的失真。NP0電容線性度高，但密度低。選用的NP0電容也要比ADC內(nèi)部采樣電容的值大得多。它執(zhí)行兩個(gè)關(guān)鍵功能：

減少ADC采樣電容的反沖

濾除所需穩(wěn)定帶寬以外的噪聲，從而降低信號(hào)鏈的寬帶噪聲

在傳統(tǒng)的信號(hào)鏈中，每個(gè)通道必須使用驅(qū)動(dòng)放大器和大電容。每個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器的功耗在零點(diǎn)幾毫安到幾毫安之間。每個(gè)電容（包括間隙）可能占據(jù)約1 mm2的電路板面積。如果多個(gè)通道都采用這種信號(hào)鏈，將非常不利于減小系統(tǒng)尺寸和降低功耗。這是當(dāng)今多路復(fù)用SAR ADC應(yīng)用中的主要問題之一。

什么是輸入高阻技術(shù)？

就模擬輸入而言，高阻技術(shù)是指一組電路技術(shù)，可在不消耗靜態(tài)或連續(xù)功率的情況下，大幅提高ADC的有效輸入阻抗。這使得ADC的輸入易于驅(qū)動(dòng)。

假設(shè)多路復(fù)用ADC正在通道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的電壓進(jìn)行采樣。然后ADC對(duì)通道N - 1上的采樣電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，在禁用輸入高阻的情況下，ADC繼續(xù)獲取序列中的下一個(gè)通道，即通道N。通道N上的電壓通常與通道N–1上的電壓大不相同，此時(shí)要對(duì)ADC電容充電，達(dá)到通道N的電壓水平。這會(huì)在通道N（深藍(lán)色虛線）上產(chǎn)生巨大的電壓沖擊，并在采樣瞬間（CNV的第二上升沿）在通道電壓中引入較大誤差。因此需要一個(gè)較大的外部電容來吸收沖擊，并且需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器來提供必要的電荷。

圖2. 啟用和禁用高阻功能時(shí)AD4696的相位。

當(dāng)啟用輸入高阻時(shí)，會(huì)對(duì)ADC的內(nèi)部采樣電容充電，使其達(dá)到將要采集通道的當(dāng)前電壓水平，然后開始真正的電壓采樣。在通道N–1上進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，立即引入高阻相位，將ADC采樣電容精確充電到通道N的當(dāng)前電壓水平。這意味著，當(dāng)ADC采樣電容連接到外部輸入時(shí)，它不會(huì)提供任何電荷，也不會(huì)導(dǎo)致任何反沖。在實(shí)踐中，由于內(nèi)部開關(guān)的電荷注入（第一次電荷沖擊），通常會(huì)有較小的殘余誤差。這種微小的殘余誤差使得通道N采樣瞬間的穩(wěn)定誤差幾乎可以忽略不計(jì)。在啟用高阻的情況下，這個(gè)電荷誤差將明顯改善系統(tǒng)的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)。

當(dāng)通道N的采樣完成后，ADC必須繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，內(nèi)部開關(guān)將ADC的采樣電容與外部輸入斷開。由于開關(guān)打開電荷注入，這會(huì)導(dǎo)致第二次電荷沖擊。通常情況下，第二次電荷沖擊的穩(wěn)定時(shí)間較長，所以第一次電荷沖擊的幅度決定了通道的穩(wěn)定誤差。因此，必須盡可能減小第一次電荷沖擊的幅度。

AD4696（新一代多路復(fù)用SAR ADC）采用了輸入高阻技術(shù)，作為EasyDrive?功能集的一部分。因此，AD4696在通道上開始電壓采樣時(shí)非常平穩(wěn)。每個(gè)通道不再需要反沖吸收電容和驅(qū)動(dòng)放大器。這使得系統(tǒng)尺寸和功耗大幅減少，并且信號(hào)鏈明顯簡(jiǎn)化，如圖3所示。

圖3. 采用AD4696多路復(fù)用SAR ADC的信號(hào)鏈。

在AD4696系列中實(shí)現(xiàn)輸入高阻有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，就是執(zhí)行高阻功能的電路都可以按轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行循環(huán)上電。因此，高阻功能的功耗將與ADC的吞吐量成線性比例，就像核心SAR ADC本身一樣。與刻板的傳統(tǒng)信號(hào)鏈設(shè)計(jì)相比，這具有明顯的靈活性。

AD4696的 LTspice?模型 中也內(nèi)置了輸入高阻功能。對(duì)第一次和第二次電荷沖擊進(jìn)行了精確建模，從而能夠可靠地仿真信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定偽影。

一些細(xì)節(jié)

回顧一下會(huì)發(fā)現(xiàn)，NP0電容還提供了信號(hào)鏈的寬帶噪聲濾波。如果想去除這個(gè)電容，就必須找到其它方法來濾除噪聲。實(shí)現(xiàn)相同的有效信號(hào)鏈噪聲帶寬的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是增加外部串聯(lián)電阻。AD4696有一個(gè)60 pF的內(nèi)部電容，與一個(gè)240 Ω的典型內(nèi)部電阻串聯(lián)。通過設(shè)置外部電阻，我們可以將信號(hào)鏈噪聲帶寬調(diào)整到目標(biāo)值。

在沒有NP0電容的情況下，外部電阻對(duì)信號(hào)鏈的噪聲性能、線性度和精度起著重要作用。小阻值電阻有助于快速穩(wěn)定采樣電荷沖擊，從而提高線性度和精度，但更高的有效噪聲帶寬會(huì)導(dǎo)致整體噪聲增加。相反，大阻值電阻可以更好地濾除噪聲，但線性度和精度會(huì)降低。

正如下一節(jié)所述，AD4696采用高阻技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)，就是它允許使用大阻值電阻（從而實(shí)現(xiàn)更好地濾除噪聲），且不會(huì)降低線性度和精度。它支持對(duì)信號(hào)鏈中的所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括噪聲、線性度、精度、功耗和解決方案尺寸。

測(cè)量結(jié)果

在沒有任何NP0電容的情況下，用一個(gè)2 kΩ的外部電阻進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果顯示，在啟用模擬輸入高阻的情況下，交流和直流性能得到了大幅改善。實(shí)驗(yàn)中以1 MSPS的速度運(yùn)行AD4696的核心ADC，但選擇了更多的通道作為輪詢序列的一部分。數(shù)據(jù)都在一個(gè)通道上收集，而序列中其它通道的輸入電壓為0 V。

圖4顯示了1 kHz、-1 dBFS信號(hào)音下相關(guān)信道的失真性能。當(dāng)通道在禁用高阻的情況下進(jìn)行排序時(shí)，由于采樣電容未充電到后續(xù)通道的電壓水平，因此會(huì)出現(xiàn)非線性穩(wěn)定誤差。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重失真。啟用高阻后，失真性能有了很大的改善。

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

圖5顯示了有和沒有高阻功能的直流穩(wěn)態(tài)建立誤差。在這個(gè)測(cè)試中，相關(guān)的通道具有接近滿量程的輸入值，序列中的其它通道驅(qū)動(dòng)電壓為0 V。在相關(guān)通道上進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)將越來越多的通道添加到序列中，并繪制出平均輸出代碼與預(yù)期代碼的偏移。

圖5. 16位電平LSB中的直流穩(wěn)定誤差。

當(dāng)核心ADC以低于1 MSPS的吞吐量運(yùn)行時(shí)，用戶可能需要進(jìn)一步降低有效的信號(hào)鏈噪聲帶寬，來限制模擬前端噪聲混疊。這將需要更高的電阻值，而高阻功能非常有助于在這些條件下保持性能。

結(jié)論

AD4696系列產(chǎn)品采用輸入高阻技術(shù)為多路復(fù)用SAR應(yīng)用帶來了很大的優(yōu)勢(shì)，比如降低系統(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。這樣每個(gè)通道不再需要專用驅(qū)動(dòng)放大器和反沖吸收電容。高阻功能本身的功耗與ADC的吞吐量成比例，為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)提供了良好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)中電荷沖擊的影響。

審核編輯：郭婷