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類比數位轉換器中的輸入採樣結構[轉載自EETimes]
原文出處:
* f' M2 G& ~8 U) [1 Y; Ohttp://www.eettaiwan.com/ART_8800473676_617739_TA_aad2b2a3.HTM! ]0 D/ ~* n$ W. _
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類比系統設計人員正面臨許多設計挑戰。他們不僅要選擇合適的元件，還必須準確地預測這些元件在系統內的相互影響。其中，類比數位(A/D)轉換器的設計相當困難，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份的影響。
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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，輸入部份由體積相對較小的電容和類比開關組成，如圖1所示。
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+ R1 x* Z' W6 S" A4 x' A當開關設在位置1時，採樣電容被充電至採樣節點的電壓(在此例中為VS)。然後，開關切換至位置2，此時採樣電容上累積的電荷被轉移至採樣電路的其他部份。這一過程不斷反覆。 ; G; |0 W: @3 `7 C
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上述這種不帶緩衝器的開關電容輸入會引起嚴重的系統級問題。例如，將採樣電容充電到適當電壓所需的電流，必須由連接到A/D轉換器輸入端的外部電路提供。當電容切換到採樣節點(圖1中的開關位置1)時，需要大電流對電容進行充電。這一瞬態電流的大小是採樣電容值、電容開關頻率和採樣節點電壓的函數。 3 @# K1 m9 s/ |: V
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這個開關電流由下式表示： ' l& W1 n7 _/ P' W" i4 o- N( m
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其中，C為採樣電容的電容值，V為採樣節點上的電壓(此例中為VS)，而f為採樣開關的開關作業頻率。這個開關電流會在採樣節點產生較高的電流峰值(如圖1所示)。 " u6 O F7 |" v$ R/ {' s
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5 K8 O/ L" d9 \0 |: Q; D圖1：簡單的開關電容輸入結構。
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' t- _( w' ]) ^- f" f設計A/D轉換器的前端類比電路時，必須考慮這一開關電流的影響。當該電流流經任何電阻時，都會產生壓降，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高阻抗感測器或高阻抗濾波器，那麼誤差將變得很大。例如，假設A/D轉換器的前端採用電阻來隔離感測器並改善靜電放電(ESD)保護功能，如圖2所示。
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4 B1 S; J4 ] L' Q7 N/ q- L3 } u圖2：帶串聯電阻的無緩衝開關電容輸入。
此例中採樣電容為10pF，開關頻率為1MHz。根據上式，瞬態電流約為25?A。當這個瞬態電流通過10kΩ電阻時，採樣節點上將會產生250mV的電壓誤差。由於採樣點可能在下一個採樣週期之前達到穩定，因此這是最差情況下的估算值。設立時間取決於10kΩ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。寄生電容源於A/D轉換器導線、電路板走線長度以及內部MOS開關電容。此外，可能需要外部緩衝器電路提供必須的電流，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。 , `5 g8 s2 A) d; \. Q
" z/ m" j- j- g7 E$ p" ?+ t# X為盡可能減少外部電路的瞬態電流要求，可以採用如圖3所示的內部緩衝器。 7 w h. `4 z( `7 w% U6 }. P
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! u& w) Z1 ?9 C, k4 A: H圖3：帶緩衝的開關電容輸入。
在此例中，類比開關可組合成三種不同的狀態。在位置1處，採樣電容被快速充電至採樣節點電壓(VS)加上(或減去)緩衝器電壓偏差(VOS)。在此階段，電容充電所需的瞬態電流由內部緩衝器電路提供。最佳化內部緩衝器設計可在所要求的開關頻率下提供低輸出阻抗，以便在指定時間內為電容正確地充電。然後，重新配置開關，使其連接圖3的位置2處。此階段採樣電容直接連接到A/D轉換器的採樣節點。接著，採樣電容被充電或放電，以便使電容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，因為電容電壓已經被充電至內部緩衝器的偏置電壓範圍內。 6 U, S) O3 k2 @" q
; A) R+ C7 k' X H最後，類比開關切換至位置3，將採樣後的電壓傳送至採樣電路的其餘部份。帶緩衝的開關電容輸入結構優點，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。上述例子中採樣電容為10pF，開關頻率為1MHz。假設內部緩衝器電壓偏置為10mV，產生的瞬態電流僅100nA，比不帶緩衝的採樣輸入瞬態電流小250倍。 3 ~" M I: _. A) C" d" }
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有些情況下，可將一個固定或可編程增益放大器整合在A/D轉換器前端的元件中。整合的放大器不僅有助於減少必須由外部電路提供的開關電流，而且還能對類比訊號進行放大。0 O3 V4 B5 t! ?$ s0 U) H" q6 [
' f/ D1 T' O/ d7 R3 y/ H此外，還可採用一個斬波穩定放大器(Chopper Op Amp)來減少1/f噪音，即所謂的‘閃爍噪音 flicker noise’。這種低頻噪音是生產製程固有的MOS電晶體通道表面狀態引起的。斬波可以消除1/f噪音，並減少外部電流要求。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，通常採用鉗位二極體提供ESD保護，如圖4所示。 $ D, F/ P- ^6 \( k' [) m$ @
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圖4：CMOS ESD保護。
U5 H2 U5 g9 S3 E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，以限制電壓。但鉗位二極體同樣會出現電流泄漏，在設計類比輸入電路時必須考慮這個問題。儘管這一泄漏電流通常較小，也許只有幾皮安，但該電流會隨著溫度升高而大幅增加。 4 W1 [$ G- p% ~7 d& H
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本文小結
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隨著A/D轉換器的不斷發展，系統設計人員充分瞭解所採用的輸入結構及這種結構對外部電路的影響將變得越來越重要。本文討論了一種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。整合的緩衝器或放大器可大幅減少開關電流，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，且其影響隨溫度會有很大的變化。
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作者：Kevin Tretter 7 k; n" _8 `1 @; t; @3 x( V
資深產品市場行銷工程師 * F+ o |7 F( X" }9 t- x
類比和介面產品事業部 ) `( T' w7 z0 C4 Z; K. B! c
Microchip Technology
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[ 本帖最後由 DennyT 於 2007-7-30 11:42 AM 編輯 ] |
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狗仔卡
發表於 2007-6-14 18:53:59
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