高速ADC的無(wú)緩沖式架構選擇

如今，高速模數轉換器(ADC)的種類(lèi)和供應商眾多，要選擇一款合適的產(chǎn)品可能并非易事。當您縮小搜索范圍后，最終的抉擇往往是選取緩沖型還是無(wú)緩沖型(開(kāi)關(guān)電容)轉換器。尺寸和功耗受限的應用通常傾向于無(wú)緩沖型。無(wú)論做何選擇，都可以找到許多相關(guān)的文章，提醒您注意模擬輸入接口問(wèn)題，特別是在較高的中頻頻率下。

　　在信號鏈中使用ADC的根本目的，是在設計中以及最終在系統層次上實(shí)現最佳的動(dòng)態(tài)范圍、噪聲特性(信噪比或SNR)和線(xiàn)性度(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍或SFDR)。本文首先將闡述緩沖型與無(wú)緩沖型ADC的區別(優(yōu)缺點(diǎn))，然后討論原始無(wú)緩沖ADC內部采樣網(wǎng)絡(luò )的反沖(一般稱(chēng)為“電荷注入”)，以及如何驅動(dòng)無(wú)緩沖型ADC。最后，本文將說(shuō)明構建適當抗混疊濾波器(AAF)所需的特殊模擬輸入接口設計要求，并給出一個(gè)范例。

　　我是否需要使用無(wú)緩沖型ADC?

　　緩沖型與無(wú)緩沖型ADC之間存在很大差異。緩沖型的優(yōu)點(diǎn)比較直觀(guān)，緩沖器將模擬接口電路與內部開(kāi)關(guān)電容采樣工作隔離開(kāi)來(lái)，這就為ADC驅動(dòng)器提供一個(gè)受控的輸入阻抗，瞬態(tài)效應(一般稱(chēng)為“反沖”)大大減弱。反沖或電荷注入是指當ADC的內部采樣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)和閉合時(shí)，殘余電荷被送回到輸入信號中。

　　緩沖器帶來(lái)的這些好處可以在一定程度上簡(jiǎn)化模擬接口設計，并且支持更高的輸入帶寬。然而，緩沖器的缺點(diǎn)也是存在的，盡管不太明顯。緩沖器通常需要較高的電源電壓，這會(huì )帶來(lái)額外的電源設計問(wèn)題。ADC的噪聲和線(xiàn)性度也會(huì )受到影響，因此在電源方面，整體ADC設計大受影響。

　　在系統層次上，多數高速ADC的輸入采用放大器驅動(dòng)。因此，在常見(jiàn)的信號鏈應用中，緩沖器的電源有點(diǎn)多余。如果模擬接口電路和放大器設置為直接驅動(dòng)采樣網(wǎng)絡(luò )，而不使用緩沖器，則整個(gè)系統可以得到更好的優(yōu)化。問(wèn)題是如何處理提供給驅動(dòng)器電路的原始采樣電容的電荷(反沖)。

　　去掉緩沖器是多數系統設計師傾向做出的妥協(xié)，因為可以額外節省功耗，但這樣一來(lái)，設計師必須面對一個(gè)棘手的任務(wù)——在轉換器與放大器之間提供一個(gè)可以實(shí)現的模擬接口。不用怕，因為即使無(wú)緩沖型轉換器的阻抗隨著(zhù)采樣狀態(tài)(跟蹤模式與保持模式)和中頻頻率而變化，但該設計在最終應用中仍將有效。您只需在利用無(wú)緩沖型ADC進(jìn)行設計時(shí)，認真遵守一些注意事項。

　　了解抗混疊問(wèn)題

　　ADC是信號鏈中的一項值得注意的模擬功能。無(wú)論所選ADC是緩沖型還是無(wú)緩沖型，驅動(dòng)放大器與轉換器之間都需要一個(gè)適當的AAF設計，用以降低寬帶噪聲和雜散。相比于傳統線(xiàn)性模塊(如混頻器和放大器等)，ADC具有一些非常獨特的特性，其中之一是混疊。

　　混疊是指所有頻率成分“折疊”到基帶或第一奈奎斯特區。如果在所需信號帶寬(目標奈奎斯特區)外有不需要的雜散和噪聲，混疊就會(huì )造成問(wèn)題。為此，一般會(huì )在A(yíng)DC輸入端之前使用一個(gè)抗混疊濾波器。驅動(dòng)放大器、抗混疊濾波器和ADC內部的采樣網(wǎng)絡(luò )構成一個(gè)緊密交織的系統，可以對其進(jìn)行優(yōu)化以有效滿(mǎn)足大多數應用的要求，您只需要知道一些訣竅就能成功。

　　第一步是確定抗混疊濾波器的要求，包括阻帶抑制曲線(xiàn)和通帶紋波要求。這些要求一般由帶外成分決定，必須防止帶外成分混疊到目標頻段內。目標是確定可以實(shí)現并且仍能滿(mǎn)足要求的最小濾波器階數，使元件數量最少，整體系統復雜度最低。為便于討論，假設使用無(wú)源LC濾波器。

　　一旦確定濾波器后，下一步便是設置模擬接口的阻抗。較低的阻抗對ADC有利，因為它給采樣網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的驅動(dòng)阻抗較低，但不利于驅動(dòng)放大器。這一點(diǎn)在設計中很關(guān)鍵。多數驅動(dòng)放大器設置為驅動(dòng)大約75 Ω的阻抗(單端)，這是AAF設計的一個(gè)良好開(kāi)端。

　　無(wú)論何種階數或類(lèi)型，LC濾波器在A(yíng)DC輸入端應有一個(gè)并聯(lián)電容，此電容對濾波器與ADC的接口至關(guān)重要。該并聯(lián)電容充當第一緩沖器，緩沖來(lái)自無(wú)緩沖型ADC的反沖電荷。電容越大，則對電荷反沖的抑制越好，ADC驅動(dòng)性能也就越高。記住，可以在A(yíng)AF中調整阻抗，以?xún)?yōu)化ADC性能和/或放大器性能。

　　影響LC濾波器驅動(dòng)無(wú)緩沖開(kāi)關(guān)電容高速ADC的另一個(gè)因素是濾波器的輸出阻抗Q。濾波器驅動(dòng)ADC的采樣網(wǎng)絡(luò )，所以，該輸出阻抗是ADC驅動(dòng)阻抗的一部分。如果濾波器驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的Q太高，則ADC內部采樣網(wǎng)絡(luò )的電荷反沖會(huì )在模擬輸入端引起響鈴振蕩。這種振蕩如果沒(méi)有在一個(gè)時(shí)鐘周期內消失，就會(huì )造成額外的失真。

　　多數ADC模擬接口設計實(shí)際上是集總元件網(wǎng)絡(luò )，而不是匹配系統。這種“中頻片”成為“匹配”與集總元件分析——轉換器的“可用”帶寬、并聯(lián)電容要求、去Q、波長(cháng)和走線(xiàn)長(cháng)度限制——之間的過(guò)渡。了解這些變量后，我們將有多種不同的AAF權衡和設計方法可以考慮。