6 通道射频遥控器采用 CC2500 射频收发器模块和 microchip 的 PIC16F1847 微控制器设计。发射器配有 6 个轻触开关、4 个...
了解 ADC 中预充电缓冲器的好处
接线图
2024年10月20日 19:23 21
admin
于高性能 ADC，在信号链中添加任何元件都会降低整体设备性能。
设计重点包括选择硅工艺、电路设计、布局和 IC 封装，以优化电压偏移、增益、信噪比 (SNR) 和总谐波失真 (THD) 等规格。添加传统缓冲器会影响这些规格，而且很多时候，这些缓冲器成为高性能 ADC 中的主要误差源。传统缓冲器的一种替代方案是预充电缓冲器，如图1所示。本文将重点介绍预充电缓冲器在模拟输入路径和参考输入路径中的使用和优势。
简化输入放大器驱动要求的一种方法是在 ADC 输入端使用电荷桶滤波器，其中差分电容比内部采样电容大。这个简单的电阻电容网络（在图 2中表示为 R filt和 C filt ）充当电荷储存器，以提供输入采样电容 C in所需的大部分瞬时电流。外部滤波电容 C filt将峰值输入电流从相对较高的电流脉冲（大约几十毫安）降低到小于 1 毫安的峰值，平均电流为几百微安。
使用大型外部输入电容来降低峰值电流还可以降低输入放大器的高带宽要求，从而提供更广泛的放大器选择。这些额外的放大器选项使设计人员能够针对低功耗、直流性能和许多其他设计标准进行优化。
然而，使用大型外部输入电容器的一个缺点是它会限制最大输入信号频率。它是一个一阶低通电阻-电容器 RC 滤波器。另一个缺点是电容器阻抗在较高输入频率下变得非常低，导致高电流流过电容器。来自输入放大器的高电流会导致系统功率耗散增加，这对于高密度或电池供电系统来说可能过大。
许多低功耗精密放大器可能无法支持高电流并保持良好的 SNR 和 THD。对于极低频率的输入信号或直流输入，使用大型输入滤波电容可能是一种可接受的方法，但对于 10 kHz 或更高的输入频率，负载电流和由此产生的功耗可能会变得高得令人无法接受。
预充电缓冲器的设计灵活性
另一个可以放宽输入放大器驱动要求且不会降低 ADC 总精度的选项是预充电缓冲器。预充电缓冲器是专用放大器，它在采集周期的第一部分对 ADC 的内部采样电容器充电，然后在采集周期的后半部分断开连接，以实现 ADC 输入和内部采样电容器之间的直接连接。在采集阶段的最后一部分将内部采样电容器直接连接到输入端可消除信号路径中预充电缓冲器中的任何错误。使用预充电缓冲器可将外部输入放大器上的总动态负载降低 99% 以上。
预充电缓冲器的另一个好处是，与高带宽外部输入放大器结合使用时，总谐波失真 (THD) 更低。除了高速输入放大器外，使用预充电缓冲器可以将总 THD 提高 10 dB 或更多。代价是额外的功耗（因为高速放大器和内部预充电缓冲器都启用）与优先考虑较低失真或较低功率的灵活性。
预充电缓冲器的主要缺点是，在采集阶段的后半段，完成对内部采样电容器充电所需的动态电流很小。但是，该动态电流不到不启用预充电缓冲器直接驱动输入采样电容器所需电流的 1%。而且，它允许使用带宽低得多的放大器和更小的输入滤波电容。
图 2 显示了典型的高级信号链，其中使用外部输入放大器和内部预充电缓冲器对 C 进行充电，而图 3 则重点介绍了预充电缓冲器的时序细节。
AIN-Coarse、AIN-Fine 和 AIN-Reset 是内部开关控制信号。内部开关在控制电平为 1 时打开，在控制电平为 0 时关闭。查看 V cin波形（内部采样保持电容器两端的电压），您可以看到预充电缓冲器如何将输入电容器电压充电至最终目标值的约 99.9%，即 AIN-Coarse = 1 阶段的 3.98 V。外部输入放大器只需在 AIN-Fine = 1 阶段将内部采样电容器充电至最终输入电压 4 V。
预充电缓冲器如何优化输入电流
如前所述，预充电缓冲器可降低驱动输入所需的平均输入电流。在启用预充电缓冲器的情况下，可以推导出平均输入电流的公式，但让我们首先推导出不使用预充电缓冲器直接驱动输入时的平均输入电流的公式。平均输入电流的公式 1 基于我们熟悉的电容器总电荷公式：
Qin = Cin ×Vin （1 ）
其中 Q in是 C in上的总电荷，V in是采集周期结束时采样电容器的电压，它大约等于 ADC 输入端的电压。
由于采样电容在转换阶段结束时复位为 0 V，因此可以按照公式 2 所示表示平均输入电流：
I avg = Q in × F mod （2）
其中 F mod是调制器采样率或 ADC 输入处的采样频率。
对于ADS127L11 delta-sigma ADC，当使用高速模式时，调制器采样率等于主时钟频率 F clk的一半。将公式 3 和公式 4 代入公式 2 可得出公式 5：
Qin = Cin ×Vin （3 ）
F mod = ? × F clk （4）
Iavg = ? × F clk × C in × V in ( 5 )
使用预充电缓冲器时，外部输入放大器提供的电荷是输入电容上总电荷的一小部分。在公式 6、7 和 8 中，G 表示预充电缓冲器的增益，理想值 G = 1，典型范围为 0.995 < G < 1.005。如果将 AIN-coarse 阶段结束时输入电容充电到的电压表示为 V in-coarse，则预充电缓冲器提供的电荷为：
Q粗= V粗×C （ 6）
V粗略= G×V in （7）
将公式 7 代入公式 6 可得出公式 8：
Q粗= G×V × C （ 8）
由于采集阶段结束时输入电容器上的总电荷为 C in × V in，因此可以将输入端直接提供的电荷表示为 Q fine，如公式 9 和 10 所示：
Q总= C输入×V输入 （9）
Q总= Q粗+ Q精 (10)
重新排列公式 10 可得到公式 11：
Q精加工= Q总加工– Q粗加工 （11）
将公式 8 和 9 代入公式 11 可得出公式 12 和 13：
Q精度=V精度×C精度-G精度×V精度×C精度 (12)
Q精加工= (1-G) × C精加工× V精加工 (13)
将公式 13 和 4 代入公式 2 可得出公式 14，即使用预充电输入缓冲器时的平均输入电流。
I平均预充电= ? × F clk × (1-G) × C in × V in (14)
将公式 5 代入公式 14 可得出公式 15。我们现在可以看到，没有预充电缓冲器的平均输入电流 I avg现已减少了 (1-G) 倍，其中对于 ADS127L11 delta-sigma ADC，G 的典型范围为 0.995 < G < 1.005：
I平均预充电= (1-G) × I平均 (15)
外部滤波电容器 C filt提供大部分峰值电流，但外部输入放大器仍必须驱动大量动态电流。与平均电流的减少非常相似，峰值电流也大幅下降。峰值电流的这种减少通常会降低总失真，这就是为什么使用预充电缓冲器和高速输入放大器可以提供更好的系统性能的原因。
峰值输入电流受内部 AIN-Fine 开关电阻 Rsw 限制，可使用公式 16 计算。对于 ADS127L11，流入 AINP 和 AINN 端子的差分输入开关电阻通常为 165 Ω。当输入电压为 4 V 且无预充电缓冲器时，每个周期产生的峰值电流 I peak接近 24 mA（公式 17），这对于大多数精密放大器来说相当高。这就是为什么需要使用输入滤波器来提供大部分峰值电流的原因。
I峰值=V输入/Rsw （ 16）
I峰值=4V/165?=24mA（17）
使用预充电缓冲器时，输入采样电容电压的值非常接近 AIN-Fine 开关关闭时的输入电压 - 在预充电缓冲器的增益误差范围内。在 G = 0.995 的情况下，预充电缓冲器会在直接连接到 ADC 输入之前将输入电容电压充电至约 3.98 V。产生的峰值输入电流现在约为 121 μA，可以使用公式 18 中的这些值找到。结果如公式 19 和 20 所示。
I峰值=（Vin - Vcin ）/ Rsw （ 18）
I峰值=（4V-3.98V）/165?（19）
I峰值= 121μA（20）
由于平均和峰值输入电流均有所降低，预充电缓冲器可使用带宽小于 10 MHz 的外部输入放大器。这提供了更多的放大器选择，从而可以优化低频噪声、宽带噪声、失调电压和其他应用规格。
参考输入的预充电缓冲器
ADS127L11 delta-sigma ADC 还具有用于参考输入的集成预充电缓冲器。与输入预充电缓冲器非常相似，参考输入预充电缓冲器可降低峰值和平均输入电流。对于 ADS127L11，使用典型的 4.096 V 外部参考电压，在高速模式下以 25.6 MHz 输入时钟频率运行时，没有预充电缓冲器的平均输入电流为 778 μA。大多数参考可以轻松驱动 778 μA 的平均电流，但许多系统使用多个 ADC 通道，有八个或更多通道。
对于八通道系统，总基准电流将为 8 × 778 μA，即总共 6.2 mA，这对于精密基准来说相当高。例如，REF6041 的最大输出电流为 4 mA，因此在这种情况下，单个基准无法驱动八个 ADC 基准输入。REF7025是另一个不错的选择，具有出色的低频噪声和非常低的长期漂移。虽然 REF70 系列的最大输出电流为 10 mA，但为了使用此基准实现最高精度，输出电流应尽可能低。
使用内部参考预充电缓冲器解决了这一限制，因为平均输入电流降至每个 ADC 2 μA。单个参考可以驱动多个通道，而无需担心过载，无需额外的外部放大器，并降低了整体电路板尺寸和成本。图 4显示了使用单个参考驱动多个带有集成参考预充电缓冲器的 ADC 的典型连接。
根据设计中使用的参考和输入放大器，您可能不需要内部预充电缓冲器来实现所选的整体系统规格。但是，启用内部预充电缓冲器的选项在选择外部组件时提供了更大的灵活性，从而提供了优化系统设计的又一个工具。
设计重点包括选择硅工艺、电路设计、布局和 IC 封装，以优化电压偏移、增益、信噪比 (SNR) 和总谐波失真 (THD) 等规格。添加传统缓冲器会影响这些规格，而且很多时候，这些缓冲器成为高性能 ADC 中的主要误差源。传统缓冲器的一种替代方案是预充电缓冲器，如图1所示。本文将重点介绍预充电缓冲器在模拟输入路径和参考输入路径中的使用和优势。
了解 ADC 中预充电缓冲器的好处
简化输入放大器驱动要求的一种方法是在 ADC 输入端使用电荷桶滤波器，其中差分电容比内部采样电容大。这个简单的电阻电容网络（在图 2中表示为 R filt和 C filt ）充当电荷储存器，以提供输入采样电容 C in所需的大部分瞬时电流。外部滤波电容 C filt将峰值输入电流从相对较高的电流脉冲（大约几十毫安）降低到小于 1 毫安的峰值，平均电流为几百微安。
使用大型外部输入电容来降低峰值电流还可以降低输入放大器的高带宽要求，从而提供更广泛的放大器选择。这些额外的放大器选项使设计人员能够针对低功耗、直流性能和许多其他设计标准进行优化。
然而，使用大型外部输入电容器的一个缺点是它会限制最大输入信号频率。它是一个一阶低通电阻-电容器 RC 滤波器。另一个缺点是电容器阻抗在较高输入频率下变得非常低，导致高电流流过电容器。来自输入放大器的高电流会导致系统功率耗散增加，这对于高密度或电池供电系统来说可能过大。
许多低功耗精密放大器可能无法支持高电流并保持良好的 SNR 和 THD。对于极低频率的输入信号或直流输入，使用大型输入滤波电容可能是一种可接受的方法，但对于 10 kHz 或更高的输入频率，负载电流和由此产生的功耗可能会变得高得令人无法接受。
预充电缓冲器的设计灵活性
另一个可以放宽输入放大器驱动要求且不会降低 ADC 总精度的选项是预充电缓冲器。预充电缓冲器是专用放大器，它在采集周期的第一部分对 ADC 的内部采样电容器充电，然后在采集周期的后半部分断开连接，以实现 ADC 输入和内部采样电容器之间的直接连接。在采集阶段的最后一部分将内部采样电容器直接连接到输入端可消除信号路径中预充电缓冲器中的任何错误。使用预充电缓冲器可将外部输入放大器上的总动态负载降低 99% 以上。
预充电缓冲器的另一个好处是，与高带宽外部输入放大器结合使用时，总谐波失真 (THD) 更低。除了高速输入放大器外，使用预充电缓冲器可以将总 THD 提高 10 dB 或更多。代价是额外的功耗（因为高速放大器和内部预充电缓冲器都启用）与优先考虑较低失真或较低功率的灵活性。
了解 ADC 中预充电缓冲器的好处
预充电缓冲器的主要缺点是，在采集阶段的后半段，完成对内部采样电容器充电所需的动态电流很小。但是，该动态电流不到不启用预充电缓冲器直接驱动输入采样电容器所需电流的 1%。而且，它允许使用带宽低得多的放大器和更小的输入滤波电容。
图 2 显示了典型的高级信号链，其中使用外部输入放大器和内部预充电缓冲器对 C 进行充电，而图 3 则重点介绍了预充电缓冲器的时序细节。
了解 ADC 中预充电缓冲器的好处
AIN-Coarse、AIN-Fine 和 AIN-Reset 是内部开关控制信号。内部开关在控制电平为 1 时打开，在控制电平为 0 时关闭。查看 V cin波形（内部采样保持电容器两端的电压），您可以看到预充电缓冲器如何将输入电容器电压充电至最终目标值的约 99.9%，即 AIN-Coarse = 1 阶段的 3.98 V。外部输入放大器只需在 AIN-Fine = 1 阶段将内部采样电容器充电至最终输入电压 4 V。
预充电缓冲器如何优化输入电流
如前所述，预充电缓冲器可降低驱动输入所需的平均输入电流。在启用预充电缓冲器的情况下，可以推导出平均输入电流的公式，但让我们首先推导出不使用预充电缓冲器直接驱动输入时的平均输入电流的公式。平均输入电流的公式 1 基于我们熟悉的电容器总电荷公式：
Qin = Cin ×Vin （1 ）
其中 Q in是 C in上的总电荷，V in是采集周期结束时采样电容器的电压，它大约等于 ADC 输入端的电压。
由于采样电容在转换阶段结束时复位为 0 V，因此可以按照公式 2 所示表示平均输入电流：
I avg = Q in × F mod （2）
其中 F mod是调制器采样率或 ADC 输入处的采样频率。
对于ADS127L11 delta-sigma ADC，当使用高速模式时，调制器采样率等于主时钟频率 F clk的一半。将公式 3 和公式 4 代入公式 2 可得出公式 5：
Qin = Cin ×Vin （3 ）
F mod = ? × F clk （4）
Iavg = ? × F clk × C in × V in ( 5 )
使用预充电缓冲器时，外部输入放大器提供的电荷是输入电容上总电荷的一小部分。在公式 6、7 和 8 中，G 表示预充电缓冲器的增益，理想值 G = 1，典型范围为 0.995 < G < 1.005。如果将 AIN-coarse 阶段结束时输入电容充电到的电压表示为 V in-coarse，则预充电缓冲器提供的电荷为：
Q粗= V粗×C （ 6）
V粗略= G×V in （7）
将公式 7 代入公式 6 可得出公式 8：
Q粗= G×V × C （ 8）
由于采集阶段结束时输入电容器上的总电荷为 C in × V in，因此可以将输入端直接提供的电荷表示为 Q fine，如公式 9 和 10 所示：
Q总= C输入×V输入 （9）
Q总= Q粗+ Q精 (10)
重新排列公式 10 可得到公式 11：
Q精加工= Q总加工– Q粗加工 （11）
将公式 8 和 9 代入公式 11 可得出公式 12 和 13：
Q精度=V精度×C精度-G精度×V精度×C精度 (12)
Q精加工= (1-G) × C精加工× V精加工 (13)
将公式 13 和 4 代入公式 2 可得出公式 14，即使用预充电输入缓冲器时的平均输入电流。
I平均预充电= ? × F clk × (1-G) × C in × V in (14)
将公式 5 代入公式 14 可得出公式 15。我们现在可以看到，没有预充电缓冲器的平均输入电流 I avg现已减少了 (1-G) 倍，其中对于 ADS127L11 delta-sigma ADC，G 的典型范围为 0.995 < G < 1.005：
I平均预充电= (1-G) × I平均 (15)
外部滤波电容器 C filt提供大部分峰值电流，但外部输入放大器仍必须驱动大量动态电流。与平均电流的减少非常相似，峰值电流也大幅下降。峰值电流的这种减少通常会降低总失真，这就是为什么使用预充电缓冲器和高速输入放大器可以提供更好的系统性能的原因。
峰值输入电流受内部 AIN-Fine 开关电阻 Rsw 限制，可使用公式 16 计算。对于 ADS127L11，流入 AINP 和 AINN 端子的差分输入开关电阻通常为 165 Ω。当输入电压为 4 V 且无预充电缓冲器时，每个周期产生的峰值电流 I peak接近 24 mA（公式 17），这对于大多数精密放大器来说相当高。这就是为什么需要使用输入滤波器来提供大部分峰值电流的原因。
I峰值=V输入/Rsw （ 16）
I峰值=4V/165?=24mA（17）
使用预充电缓冲器时，输入采样电容电压的值非常接近 AIN-Fine 开关关闭时的输入电压 - 在预充电缓冲器的增益误差范围内。在 G = 0.995 的情况下，预充电缓冲器会在直接连接到 ADC 输入之前将输入电容电压充电至约 3.98 V。产生的峰值输入电流现在约为 121 μA，可以使用公式 18 中的这些值找到。结果如公式 19 和 20 所示。
I峰值=（Vin - Vcin ）/ Rsw （ 18）
I峰值=（4V-3.98V）/165?（19）
I峰值= 121μA（20）
由于平均和峰值输入电流均有所降低，预充电缓冲器可使用带宽小于 10 MHz 的外部输入放大器。这提供了更多的放大器选择，从而可以优化低频噪声、宽带噪声、失调电压和其他应用规格。
参考输入的预充电缓冲器
ADS127L11 delta-sigma ADC 还具有用于参考输入的集成预充电缓冲器。与输入预充电缓冲器非常相似，参考输入预充电缓冲器可降低峰值和平均输入电流。对于 ADS127L11，使用典型的 4.096 V 外部参考电压，在高速模式下以 25.6 MHz 输入时钟频率运行时，没有预充电缓冲器的平均输入电流为 778 μA。大多数参考可以轻松驱动 778 μA 的平均电流，但许多系统使用多个 ADC 通道，有八个或更多通道。
对于八通道系统，总基准电流将为 8 × 778 μA，即总共 6.2 mA，这对于精密基准来说相当高。例如，REF6041 的最大输出电流为 4 mA，因此在这种情况下，单个基准无法驱动八个 ADC 基准输入。REF7025是另一个不错的选择，具有出色的低频噪声和非常低的长期漂移。虽然 REF70 系列的最大输出电流为 10 mA，但为了使用此基准实现最高精度，输出电流应尽可能低。
使用内部参考预充电缓冲器解决了这一限制，因为平均输入电流降至每个 ADC 2 μA。单个参考可以驱动多个通道，而无需担心过载，无需额外的外部放大器，并降低了整体电路板尺寸和成本。图 4显示了使用单个参考驱动多个带有集成参考预充电缓冲器的 ADC 的典型连接。
根据设计中使用的参考和输入放大器，您可能不需要内部预充电缓冲器来实现所选的整体系统规格。但是，启用内部预充电缓冲器的选项在选择外部组件时提供了更大的灵活性，从而提供了优化系统设计的又一个工具。
相关文章
发表评论