贾铁锋的日志

（CADEKA）模数转换器

已有 75 次阅读 2013-08-23 08:39 标签: CADEKA

我们之前讨论过，设计高性能数据采集系统时，模数转换器通常是需要确定和加以选择的最重要组件，因此必须格外注意ADC的驱动。一般来说，高速ADC采用带有差分输入的高速通道架构。IP和IN输入需要在时间和频率方面完全匹配，以最大限度减少失真。很多分电路驱动器可用来搭建有源或无源架构实现不同的结果。我们首先介绍无源差分驱动器。

对于采用的ADC输入信号电平限制条件不多，以及输入驱动器中信号丢失不是问题时，通常适合选择无源接口。尽管无源差分驱动器产生的噪声和失真很小，但其固有的频率功耗、通频带纹波以及低频极限会限制这类驱动器的使用。如前所述，目前高速ADC (特别是采用通道架构的ADC) 要么是缓冲输入，要么是非缓冲输入。非缓冲输入指采样和保持电路直接连接模拟输入脚。缓冲输入一般采用内部放大器将采样与保持电路隔开。这两种高速ADC的输入带宽往往比ADC的最大采样频率高得多，并且能够获得频率非常高的欠采样输入信号。

非缓冲差分ADC输入等效模型

非缓冲差分ADC模拟输入等效模型如图2所示。模拟输入由直接与采样和保持采样开关连接的差分开关电容输入电路组成 (请注意，采样开关是模拟输入与采样电容之间唯一的有源元件)。串联电阻、电感以及并联寄生电容等元件也是驱动器件的组成部分，其构成的ADC转换器封装和引线键合寄生现象影响性能。尽管IP与IN输入必须通过外部偏压进行对应调整，一般采用ADC共模参考电压，但差分输入拓扑结构可以产生优异的高频交流特性，而且具有非常高的输入频宽。这类ADC可以单端驱动，但为了取得最佳性能，输入应采用差分驱动。

所示为驱动非缓冲差分ADC输入的典型变压器差分驱动器。必须确保选择的变压器具有足够的线性和频宽，才能获得ADC的最高性能。

带宽至少超过ADC采样速率的1/10。保持差分ADC输入之间的相位失调小于HD2 (二次谐波失真) 特性也是十分重要的。同时，由于变压器和灵敏PCB线路之间存在磁耦，因此一定要特别注意减小PCB通道串扰。如果输入信号从信号源到变压器经过很长的物理距离 (例如长线缆)，ADC回冲也将延伸同样的距离。如果未在信号源一侧终止，这些回冲会形成反射，加入到ADC输入端的输入信号中。这种情况会导致ADC性能下降。为避免这种影响，信号源必须有效终止ADC回冲，或者物理距离必须很短。如果不能避免这样的问题，那么通常必须采用直流耦合“有源”缓冲放大器来取代无源变压器驱动器。

所示为采用电容器的无源交流差分驱动器。此外，共模电压必须能够生成中幅电压，以保证输入信号居中。本例中，串联电容C1构成带有共模电阻分压器参考电压的高通滤波器，因此设计高通截止频率时需要引起足够的注意。这个高通滤波器极大地影响启动时间或停止时间，因为滤波器需要一定的时间为串联电容器充电，并且依赖于滤波器截止频率。

果输入信号传输距离较长，且ADC回冲不能在信号源处有效终止，可采用图5所示输入网络。这种配置可衰减ADC回冲，并且可以提供输入阻抗，这种阻抗能够尽可能将频率限制在Nyquist或以下。而串联电感器的价值则取决于主板设计以及转换速率。某些情况下，与端接电阻并联一支旁路电容 (如33 pF) 可进一步改善ADC性能。这个电容可进一步衰减ADC回冲，并最大限度减小传输到信号源的回冲。不过，一定要注意，因为从变压器看过来阻抗匹配实际上变得更糟。

再次指出，设计高性能 (高频) 数据采集系统时，由于模数转换器通常是整个系统分辨率、精度和噪声的限制因素，因此必须注意系统的驱动输入。无论转换器为单端输入 (需要极为稳定的外部驱动放大器，以及严格的直流技术参数)，还是差分输入 (需要极为稳定的板载ADC参考电压，以及带有差分输出的外部放大器)，设计者都必须了解系统每种配置的取舍关系。因此，一定要选择正确的ADC，然后结合实现系统主要结果的直流技术指标，确定大部分系统级性能参数的极限。