作者：Sanjay Rajasekhar and Arvind Shankar

多路復用（多路復用）逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）應用具有尺寸和功率限制，通常由每通道模擬信號鏈設計選擇決定。本文介紹了為什么配備模擬輸入高阻態(tài)（高阻抗）技術的多路復用SAR ADC是大幅減小解決方案尺寸和功耗而又不影響性能和精度的關鍵。

介紹

多路復用SAR ADC通常用于需要持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)中多個關鍵變量的應用。在光通信應用中，激光偏置可以通過光功率測量進行監(jiān)測，而在VSM應用中可以監(jiān)測來自電極的EEG/ECG信號。這些多路復用應用程序有一些共同的要求：

有許多頻道需要監(jiān)控。通常，ADC通過所有通道進行排序。

通道電壓通常彼此不相關。

系統(tǒng)級尺寸和功耗存在嚴格的限制。

由于這些要求，出現(xiàn)了一些挑戰(zhàn)。當ADC在一個通道上完成轉(zhuǎn)換時，ADC內(nèi)的采樣電容充電至通道電壓。如果采樣電容上的該電壓與順序上的下一個通道電壓大不相同，則必須設計信號鏈，以便在允許的采集時間內(nèi)將采樣電容精確地建立到新電壓。傳統(tǒng)上，這個問題的解決方案是使用寬帶驅(qū)動放大器和RC濾波器。典型信號鏈如圖1所示。

圖1.具有傳統(tǒng)多路復用SAR ADC的信號鏈。

傳感器可以輸出電壓或電流，傳感器接口電路可以分別是儀表放大器或跨阻放大器。電容器通常為NP0/C0G類型，因為其他類型的電容器會導致明顯的失真。NP0電容器具有高線性度但低密度。選擇NP0電容的值也比ADC內(nèi)部采樣電容大得多。它執(zhí)行兩個關鍵功能：

減少ADC采樣電容的反沖

通過濾除超出所需建立帶寬的噪聲來降低信號鏈的寬帶噪聲

在傳統(tǒng)的信號鏈中，人們被迫使用一個驅(qū)動放大器和一個大電容。每個驅(qū)動器放大器的功耗可能在十分之一mA到幾mA之間。每個電容器（包括間隙）可能占用約 1 mm2的電路板區(qū)域。在許多通道上復制該信號鏈會對系統(tǒng)尺寸和功耗產(chǎn)生顯著不利影響。這是當今多路復用SAR ADC應用的主要問題之一。

什么是輸入高阻技術？

在模擬輸入的上下文中，術語高阻態(tài)技術是指在不消耗靜態(tài)或連續(xù)功率的情況下大幅增加ADC的有效輸入阻抗的電路技術的集合。這使得ADC的輸入易于驅(qū)動。

假設多路復用ADC在通道N – 1上轉(zhuǎn)換，下一個要轉(zhuǎn)換的通道是通道N。

在轉(zhuǎn)換啟動（CNV）的上升沿，對通道電壓進行采樣。在圖2中，CNV的第一個上升沿對通道N – 1上的電壓進行采樣。然后，ADC轉(zhuǎn)換通道N – 1上的采樣電壓。轉(zhuǎn)換后，禁用輸入高阻態(tài)，ADC繼續(xù)采集序列中的下一個通道，即通道N。通道N上的電壓通常與通道N – 1上的電壓有很大不同，ADC電容現(xiàn)在充電到通道N-1。這會導致通道N（深藍色虛線）上的電壓產(chǎn)生巨大的沖擊，并在采樣時刻（CNV的第二上升沿）引入較大的通道電壓誤差。這就需要一個大的外部電容器來吸收沖擊力，需要一個驅(qū)動放大器來提供必要的電荷。

圖2.高阻態(tài)使能和禁用時AD4696的相位。

當輸入高阻態(tài)使能時，ADC的內(nèi)部采樣電容在開始實際采集之前充電至其將要采集的通道上的當前電壓。在通道N – 1上轉(zhuǎn)換后，立即引入一個高阻態(tài)相位，將ADC采樣電容精確充電至通道N上的當前電壓。這意味著，當ADC采樣電容連接到外部輸入時，它不會產(chǎn)生任何電荷，也不會產(chǎn)生任何反沖。在實踐中，由于內(nèi)部開關的電荷注入（第一次充電踢），通常會有很小的殘余誤差。這種小的殘余誤差導致通道N采樣時刻的建立誤差幾乎可以忽略不計。啟用高阻態(tài)時的這種電荷誤差將極大地改善系統(tǒng)的穩(wěn)定動態(tài)。

當通道N上的采樣完成后，ADC必須繼續(xù)進行轉(zhuǎn)換。因此，內(nèi)部開關將ADC采樣電容與外部輸入斷開。這會導致由于開關開路電荷注入而導致第二次充電踢。通常，第二次電荷踢有更長的建立時間，因此第一次電荷踢的大小決定了通道上的建立誤差。因此，必須將第一次電荷踢的大小降至最低。

輸入高阻態(tài)技術作為EasyDrive的一部分集成到AD4696（最新一代多路復用SAR ADC）中?功能集。因此，AD4696在通道上開始采集非常順利。它免除了為每個通道增設反沖吸收電容器和驅(qū)動放大器的需要。這大大降低了系統(tǒng)尺寸和功耗，并顯著簡化了信號鏈，如圖3所示。

圖3.采用AD4696多路復用SAR ADC的信號鏈。

AD4696系列采用輸入高阻態(tài)的一個重要優(yōu)勢是，執(zhí)行高阻態(tài)功能的電路都可以以轉(zhuǎn)換速率進行上電循環(huán)。因此，高阻態(tài)函數(shù)的功耗與ADC的吞吐速率成線性關系，就像核心SAR ADC本身一樣。與傳統(tǒng)的、相當剛性的信號鏈設計相比，這提供了極大的靈活性。

輸入高阻態(tài)功能也內(nèi)置于LTspice模型?的AD4696。對第一次和第二次電荷踢進行精確建模，從而能夠可靠地仿真信號鏈設計的穩(wěn)定偽影。

一些微妙之處

回想一下，NP0電容還為信號鏈提供寬帶噪聲濾波。現(xiàn)在我們想消除電容器，我們必須找到其他方法來過濾噪聲。實現(xiàn)相同有效信號鏈噪聲帶寬的一種簡單方法是增加外部串聯(lián)電阻。AD4696內(nèi)置一個60 pF內(nèi)部電容和一個240 Ω典型內(nèi)部電容串聯(lián)。通過設置外部電阻，我們可以將信號鏈噪聲帶寬調(diào)諧到所需值。

如果沒有NP0電容，外部電阻在信號鏈的噪聲性能、線性度和精度方面起著重要作用。小值電阻有助于快速建立采樣電荷，從而提高線性度和精度，但代價是有效噪聲帶寬更高，導致總噪聲增加。相反，大阻值電阻可以更好地濾除噪聲，但代價是線性度和精度下降。

如下一節(jié)所述，AD4696中高阻態(tài)技術的一大優(yōu)勢是，它允許使用大阻值電阻（以獲得更好的噪聲濾波），而不會降低線性度和精度。這樣可以優(yōu)化信號鏈中的所有參數(shù)——噪聲、線性度、精度、功耗和解決方案尺寸。

測量結(jié)果

測量采用2 kΩ外部電阻，無需任何NP0電容。結(jié)果表明，啟用模擬輸入高阻時，交流和直流性能顯著提高。該實驗涉及AD4696內(nèi)核ADC以1 MSPS運行，但選擇越來越多的通道作為循環(huán)序列的一部分。數(shù)據(jù)在一個通道上收集，而序列中的其他通道則提供0 V輸入。

圖4顯示了1 kHz、–1 dBFS音調(diào)下目標通道的失真性能。當通道在禁用高阻態(tài)的情況下排序時，由于采樣電容未充電至后續(xù)通道電壓，因此會出現(xiàn)非線性建立誤差。這會導致明顯的失真。啟用高阻態(tài)后，失真性能有了很大的改善。

圖4.THD 與序列中的通道數(shù)的關系。測試音：1 kHz，–1 dBFS。

圖5顯示了帶和不帶高阻態(tài)功能的直流穩(wěn)態(tài)建立誤差。在該測試中，目標通道提供接近滿量程的輸入，序列中的其他通道以0 V驅(qū)動。 在目標通道上執(zhí)行轉(zhuǎn)換，同時向序列添加越來越多的通道，并繪制平均輸出代碼與預期代碼的偏移。

圖5.16位電平LSB中的直流建立誤差。

當內(nèi)核ADC以低于1 MSPS的吞吐量運行時，用戶可能需要進一步降低有效信號鏈噪聲帶寬，以限制模擬前端噪聲混疊。這將需要更高的電阻值，而高阻態(tài)功能極大地有助于在這些條件下保持性能。

結(jié)論

AD4696系列器件采用的輸入高阻態(tài)技術為多路復用SAR應用提供了無與倫比的優(yōu)勢，例如降低系統(tǒng)級功耗、減小尺寸和減少元件數(shù)量等，同時保持高水平的交流性能和直流精度。它免除了每個通道對專用驅(qū)動器放大器和反沖吸收電容器的需求。高阻態(tài)功能本身的功耗與ADC的吞吐速率成比例，為系統(tǒng)級設計提供了出色的靈活性和多功能性。AD4696的LTspice模型可用于仿真用戶希望設計的任何系統(tǒng)中的電荷踢效應。

審核編輯：郭婷