在多通道、多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，增加每個ADC的通道數(shù)可改善系統(tǒng)的總體成本、面積和功耗效率?，F(xiàn)代逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）的高吞吐量和高能效使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)比以往更高的通道密度。本文將介紹多路復(fù)用器輸出端的大規(guī)模開關(guān)瞬變引起的多路復(fù)用器輸入端的建立瞬變?nèi)绾窝娱L采集時間，從而有效地降低多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體吞吐量。然后，它將重點討論設(shè)計權(quán)衡，以最大限度地縮短輸入建立時間，并提高數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)效率。

什么是多通道DAQ，我們?nèi)绾魏饬慷嗤ǖ繢AQ的性能？

多通道數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)是一個完整的信號鏈子系統(tǒng)，與多個輸入（通常是傳感器）接口，其主要功能是將輸入端的模擬信號轉(zhuǎn)換為處理單元可以理解的數(shù)字數(shù)據(jù)。多通道DAQ系統(tǒng)的主要組件是模擬前端子系統(tǒng)（緩沖器、開關(guān)元件和信號調(diào)理模塊）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)字接口。對于高速、精密轉(zhuǎn)換器，開關(guān)元件（通常是多路復(fù)用器）放置在ADC驅(qū)動器和轉(zhuǎn)換器本身之前，以利用現(xiàn)代ADC的先進性能。SAR ADC是這些應(yīng)用中最常用的ADC類型，因為它們結(jié)合了速度和精度。

圖1.典型的基于SAR ADC的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。

用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的高通道密度精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旨在將盡可能多的通道壓縮到盡可能小的區(qū)域。通常，多路復(fù)用DAQ系統(tǒng)可以通過以下方式實現(xiàn)高密度，高吞吐量和良好的能效：

使用高速精密SAR ADC

使用每通道的最小采樣率

在以下情況下，最大限度地提高SAR ADC轉(zhuǎn)換器利用率：

以 n 作為通道數(shù)。每個轉(zhuǎn)換器的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總吞吐量由下式給出：

這表明，多通道DAQ系統(tǒng)的整體吞吐量不僅取決于SAR ADC的速度和分辨率，還取決于該轉(zhuǎn)換器的利用率。

延遲如何影響多通道DAQ系統(tǒng)的性能？

在存在任何結(jié)算延遲的情況下，項 td添加到ADC的實際采樣和轉(zhuǎn)換周期中，得到實際最大轉(zhuǎn)換器采樣速率，由下式給出：

其中T模數(shù)轉(zhuǎn)換器是每個樣本的ADC周期（通常在大多數(shù)ADC數(shù)據(jù)手冊中找到，更常見的是SAR ADC采樣速率的倒數(shù)，以秒為單位）。對于非零延遲t，多通道DAQ系統(tǒng)的實際最大采樣率始終小于轉(zhuǎn)換器的采樣率d，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器利用率始終低于 100%。由此我們可以看出，添加到采樣和轉(zhuǎn)換周期的任何延遲都會降低轉(zhuǎn)換器利用率。當與總吞吐量的早期表達式相關(guān)時，這有效地減少了多通道DAQ可以容納的最大通道數(shù)?？偠灾?，任何建立延遲都會降低多通道DAQ系統(tǒng)的通道密度和/或整體吞吐量。

現(xiàn)在，多路復(fù)用器輸入開關(guān)毛刺和輸入建立時間是多少？

當多路復(fù)用器從一個輸入切換到另一個輸入時，輸出仍然具有先前輸入通道的存儲器，其形式是輸出負載電容和多路復(fù)用器的寄生漏極電容中存儲的電荷。對于ADC驅(qū)動器和ADC本身等高容性負載，這一點更為明顯，因為這些存儲的電荷沒有低阻抗路徑。您甚至可以說，由于現(xiàn)代多路復(fù)用器的先開后合（BBM）機制，輸出的電容性質(zhì)和高阻抗而捕獲了這些電荷;它們只有在切換到下一個輸入后才能放電。

圖2.開關(guān)前狀態(tài)（左），開關(guān)后發(fā)生電荷共享，迅速導(dǎo)致電壓降?V（右）。

開關(guān)后，輸入電容C一個將并聯(lián)連接到輸出電容C外.C一個和 C外，但是，最初可能處于不同的電位，這將導(dǎo)致C之間的電荷共享一個和 C外.對于帶寬非常高的多路復(fù)用器，電荷共享幾乎是瞬間發(fā)生的，導(dǎo)致多路復(fù)用器輸入出現(xiàn)高頻毛刺。此毛刺的幅度 ?V 由下式給出：

其中 ?VC是開關(guān)前電容器電壓的差異。多路復(fù)用器輸入側(cè)發(fā)生的瞬態(tài)毛刺是一種通常稱為反沖的現(xiàn)象，對于具有高容性負載的開關(guān)應(yīng)用（如ADC、容性DAC和采樣電路等）更為普遍。MT-088 中簡要說明了此主題。毛刺必須建立到輸出的1 LSB以內(nèi)才能為轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)，輸入建立到1 LSB以內(nèi)（并保持在該范圍內(nèi)?。┧璧臅r間是輸入建立時間（tS).tS是延遲 t 的一個組成部分d前面描述過，它可能對這個術(shù)語有最重要的貢獻。

當ADC沒有現(xiàn)在那么快時，這些毛刺及其各自的輸入建立時間微不足道，不容忽視。然而，隨著ADC速度的調(diào)整，轉(zhuǎn)換器采樣周期越來越短，接近輸入建立時間的順序。如前所述，當ADC周期為T模數(shù)轉(zhuǎn)換器，等于輸入建立時間tS（并且有效地d），轉(zhuǎn)換器利用率大大降低至50%。這意味著我們只使用了轉(zhuǎn)換器能力的一半！重申其重要性，輸入建立時間應(yīng)開始與精密轉(zhuǎn)換器當前技術(shù)的速度成比例，為提高多通道DAQ系統(tǒng)的性能鋪平道路。

如何最小化輸入建立時間？

通常在緩沖放大器和多路復(fù)用器之間使用RC濾波器（參見CN-0292），稱為緩沖器網(wǎng)絡(luò)，從而將開關(guān)毛刺降至最低。圖3描述了用于2通道多路復(fù)用模擬前端子系統(tǒng)的信號鏈子系統(tǒng)及其相應(yīng)的開關(guān)時序圖。

圖3.用于多通道DAQ系統(tǒng)的2通道多路復(fù)用模擬前端子系統(tǒng)以及相應(yīng)的時序圖。

假設(shè)多路復(fù)用器相對于放大器和緩沖器RC具有非常高的帶寬，則以緩沖RC為主導(dǎo)極點，輸入毛刺和建立瞬態(tài)可以近似為具有一階（指數(shù)）響應(yīng)。為了進一步剖析輸入毛刺，圖4詳細說明了輸入毛刺瞬態(tài)響應(yīng)。

圖4.剖析開關(guān)期間的多路復(fù)用器輸入毛刺：時序定義和設(shè)計目標。

對于一階假設(shè)，誤差表達式 V錯誤，是相對于時間的遞減指數(shù)函數(shù)。V 的初始值（切換時的值）錯誤是毛刺幅度 ?V，并且會以取決于緩沖器 RC 值的速率衰減。V 所需的時間錯誤建立到1 LSB以內(nèi)定義為輸入建立時間。

另一方面，轉(zhuǎn)換器的采樣周期為 tACQ（也稱為采集時間）。在ADC轉(zhuǎn)換階段，當tACQ經(jīng)過后，轉(zhuǎn)換器將量化可用的任何采樣數(shù)據(jù)。如果 V錯誤消退速度太慢，以至于沒有穩(wěn)定到某個值（1 LSB 到幾個 LSB）。這將導(dǎo)致電流樣本被先前的模擬輸入損壞，并導(dǎo)致ADC通道之間的串擾?？紤]到輸入建立時間，必須確保輸入建立時間小于轉(zhuǎn)換器采集時間，以盡量減少誤差。此外，進一步最小化S為使用更快的轉(zhuǎn)換器來提高系統(tǒng)的整體吞吐量和密度提供了機會。

通過我們庫中的一些數(shù)學(xué)運算，最快輸入建立時間的表達式可以在最壞情況下推導(dǎo)出 ?VC是滿量程輸入范圍和V錯誤達到至少 1 LSB（多路復(fù)用器輸出在目標電平的 1 LSB 以內(nèi)）。多通道DAQ系統(tǒng)設(shè)計人員將有兩個設(shè)計旋鈕：緩沖時間常數(shù)和C一個/C外比率，從而得到輸入建立時間的表達式：

這里我們可以看到，輸入建立時間是緩沖器時間常數(shù)τ的線性函數(shù)，η V所需的時間常數(shù)錯誤穩(wěn)定在 1 LSB 以內(nèi)。減少輸入建立時間的最直接方法是使用低時間常數(shù)緩沖器網(wǎng)絡(luò)，這是有意義的，因為更快的（高帶寬）緩沖器網(wǎng)絡(luò)將導(dǎo)致較低的時間常數(shù)。然而，這種方法將呈現(xiàn)一組涉及噪聲和負載的不同權(quán)衡?；蛘撸覀兛梢宰钚』g(shù)語η以獲得類似的結(jié)果。

η是緩沖電容器之比（C一個） 到輸出電容 （C外).如果 1 LSB 等于滿量程輸入范圍除以 2，提高到位數(shù) （N） 減去 1，然后 ?VC等于最壞情況下的滿量程輸入范圍。

等式 6 可能不是那么直觀，而且很難可視化，因此最好用 10 位、14 位、18 位和 20 位分辨率的半對數(shù)圖來說明它，如圖 5 所示。

圖5.穩(wěn)定為 1 LSB 所需時間常數(shù)的圖表。

可以看出，更高的C一個/C外值導(dǎo)致建立時間縮短;甚至可以達到極高電容器比率的零建立時間。由于 C外本質(zhì)上是多路復(fù)用器的漏極電容和后續(xù)級的輸入電容，只有C一個仍然是更通用的自由度。10位分辨率的零建立時間需要C一個至少比 C 大 1000×外比 C 大 1，000，000×外適用于 20 位系統(tǒng)！相比之下，對于10位和20位系統(tǒng)，100 pF的典型負載分別需要100 nF和100 μF的緩沖電容，以實現(xiàn)零建立時間。

總之，可以通過兩種方法實現(xiàn)輸入建立時間的最小化：

為緩沖器網(wǎng)絡(luò)使用高帶寬

使用高值的 C一個關(guān)于 C外

高帶寬和大緩沖電容可最大限度地縮短輸入建立時間，因此我們只使用最高帶寬和最大電容

不！您必須考慮RC負載效應(yīng)和放大器的驅(qū)動能力！為了研究緩沖器網(wǎng)絡(luò)對緩沖放大器的負載影響，應(yīng)在頻域中分析模擬前端子系統(tǒng)。

由于我們建立在輸入毛刺的一階響應(yīng)的思想之上，因此緩沖器網(wǎng)絡(luò)極點應(yīng)該是最主要的貢獻者。換句話說，緩沖器帶寬應(yīng)小于緩沖放大器和多路復(fù)用器，以避免多個極點相互作用，從而確保一階近似保持。

圖6.緩沖器和緩沖器等效電路（左）以及放大器和緩沖器的等效阻抗（右）。

典型的緩沖器架構(gòu)由一個采用緩沖器（G = 1）配置的精密放大器組成，與緩沖器網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)。在頻域分析中，該子系統(tǒng)的輸出取決于緩沖器輸入阻抗與緩沖器輸入阻抗和放大器閉環(huán)輸出阻抗之和的比值。通過檢查，緩沖器輸入阻抗應(yīng)大于放大器的閉環(huán)阻抗，以避免負載效應(yīng)，如公式7所述。

也就是說，為了避免緩沖器網(wǎng)絡(luò)加載緩沖放大器，我們應(yīng)該：

增加緩沖時間常數(shù)，R一個C一個，有效降低帶寬

使用小型緩沖電容器C一個

選擇具有極低閉環(huán)輸出阻抗的放大器

前兩個選項讓我們清楚地了解加載效應(yīng)和輸入建立時間之間的權(quán)衡。這限制了緩沖器帶寬和電容器的高度。第三個選項引入了在選擇合適的精密放大器時應(yīng)考慮的性能參數(shù)。還應(yīng)考慮穩(wěn)定性和駕駛能力。

圖7顯示，對于具有足夠帶寬的精密放大器（例如閉環(huán)帶寬約為970 kHz的–3 dB閉環(huán)帶寬的ADA4096-2），結(jié)果與目前提出的分析結(jié)果一致，但少數(shù)波形除外。對于 10 kHz 的緩沖器帶寬，最大 C一個導(dǎo)致最快的輸入建立時間。而對于 200 kHz 的緩沖器帶寬，增加 C一個在加載生效之前，仍會導(dǎo)致更快的建立時間。從結(jié)果中看到的欠阻尼響應(yīng)具有最小的毛刺幅度，但建立時間比較小的C的響應(yīng)長一個，盡管毛刺幅度更大。這強調(diào)了仔細研究緩沖器如何加載放大器的重要性，因為在為系統(tǒng)選擇組件時應(yīng)始終考慮到這一點。

圖7.多路復(fù)用器輸入，緩沖帶寬為10 kHz（頂部）和200 kHz（底部），適用于ADA4096-2放大器型號。

如前所述，一個需要考慮的放大器參數(shù)是閉環(huán)輸出阻抗。運算放大器的閉環(huán)阻抗通常與其開環(huán)增益A成反比V.我們還希望緩沖器網(wǎng)絡(luò)具有高帶寬，以最短的建立時間，要求放大器具有–3 dB帶寬，甚至大于緩沖器帶寬。除了 低 噪聲、 失調(diào) 和 失調(diào) 漂 距 之外， 最 適合 用于 多路 復(fù) 用 DAQ 系統(tǒng) 的 最 短 輸入 建立 時間 的 精密 放大器 還 具有 兩個 優(yōu)先 屬性： 1） 具有 高 帶 寬 和 2） 具有 非常低 的 閉 環(huán) 阻抗。然而，這些并非沒有權(quán)衡，它們以功耗的形式出現(xiàn)。例如，我們可以查看ADA4096-2和ADA4522-2的閉環(huán)阻抗，如圖8所示。

圖 8a.ADA4522-2閉環(huán)阻抗的數(shù)據(jù)手冊圖

圖 8b.ADA4096-2閉環(huán)阻抗的數(shù)據(jù)手冊圖。

從數(shù)據(jù)手冊中的閉環(huán)輸出阻抗圖以及ADA4522-2的–3 dB閉環(huán)帶寬為6 MHz（標稱值）可以看出，它是更適合該應(yīng)用的驅(qū)動器。但是，當優(yōu)先考慮功耗時，每個放大器電源電流為60 μA（典型值）的ADA4096-2比ADA4522-2的每個放大器830 μA（典型值）更具吸引力。盡管如此，兩種精密放大器都可以使用;這一切都歸結(jié)為應(yīng)用程序真正需要什么。

結(jié)論

好吧，那么我們能做的最好的事情是什么？

為了最大限度地提高多通道DAQ系統(tǒng)的密度和吞吐量，輸入建立時間應(yīng)小于或等于ADC采集時間。任何 額外 的 延遲 都會 降低 多 通道 DAQ 系統(tǒng) 的 性能。最小化輸入建立時間涉及增加緩沖器的帶寬和電容，但由于頻域中的負載效應(yīng)，在選擇元件值時必須小心。最后，選擇最合適的精密放大器需要在功率、閉環(huán)輸出阻抗和–3 dB帶寬之間進行權(quán)衡，優(yōu)先考慮應(yīng)用的實際需求。

審核編輯：郭婷