【導(dǎo)讀】通過多路復(fù)用，每個系統(tǒng)可以使用更少的ADC，從而顯著節(jié)省功耗、尺寸和成本。本文重點討論采用高性能精密SAR型ADC的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)計考慮、性能效果和應(yīng)用挑戰(zhàn)。
通過多路復(fù)用，每個系統(tǒng)可以使用更少的ADC，從而顯著節(jié)省功耗、尺寸和成本。逐次逼近型ADC(因為其采用逐次逼近型寄存器而常常稱為SAR型ADC)具有低延遲特性，很受多路復(fù)用系統(tǒng)的歡迎——這些系統(tǒng)要求對滿量程輸入步進(jìn)(最差情況)做出快速響應(yīng)，而不會產(chǎn)生任何建立時間方面的問題。 SAR型ADC易于使用，功耗很低，并且尺寸較小。
本文重點討論采用高性能精密SAR型ADC的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設(shè)計考慮、性能效果和應(yīng)用挑戰(zhàn)。
切換多路復(fù)用器的輸入通道時，ADC驅(qū)動放大器必須在規(guī)定的采樣周期內(nèi)完成大電壓步進(jìn)的建立。 輸入可能會從負(fù)滿量程變換到正滿量程或從正滿量程變換到負(fù)滿量程，因此可能在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生大輸入電壓步進(jìn)。 為了處理這種步進(jìn)，放大器必須具有寬信號帶寬和快速建立時間。此外，壓擺率或輸出電流限制會引起非線性效應(yīng)。
另外，驅(qū)動放大器還必須解決采集周期開始時SAR型ADC輸入端的電荷再平衡所導(dǎo)致的反沖影響。這可能會成為多路復(fù)用系統(tǒng)輸入建立的瓶頸。通過降低ADC的吞吐速率，從而延長采集時間并使放大器有足夠的時間建立至要求的精度，可以緩解建立時間問題。
圖1中的時序圖顯示了輸入幅度發(fā)生滿量程變化時，如何優(yōu)化每通道建立時間。ADC的周期時間通常包括轉(zhuǎn)換時間和采集時間(tCYC = tCONV + tACQ)，在數(shù)據(jù)手冊中一般規(guī)定為吞吐速率的倒數(shù)。 轉(zhuǎn)換開始時，SAR型ADC的容性DAC與輸入端斷開，經(jīng)過很短的開關(guān)延遲tS后，便可將多路復(fù)用器通道切換至下一通道。這將為所選通道提供最長的建立時間。
為了保證最大吞吐速率時的性能，多路復(fù)用系統(tǒng)的所有器件都必須在多路復(fù)用器切換與采集時間結(jié)束之間的時間里在ADC輸入端完成建立。多路復(fù)用器通道切換必須與ADC轉(zhuǎn)換時間正確同步。多路復(fù)用系統(tǒng)可達(dá)到的吞吐速率等于單個ADC的吞吐速率除以采樣的通道數(shù)。
圖1 多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型時序圖
有些設(shè)計人員利用低輸出阻抗緩沖器處理多路復(fù)用器輸入端的反沖影響。SAR型ADC的輸入帶寬(數(shù)十MHz)和ADC驅(qū)動器的輸入帶寬(數(shù)百MHz)高于采樣頻率，期望的輸入信號帶寬通常在數(shù)十至數(shù)百kHz范圍內(nèi)，因此，多路復(fù)用器的輸入端可能需要一個RC抗混疊濾波器，用以防止干擾信號(混疊)折回到目標(biāo)帶寬并緩解建立時間問題。 各輸入通道使用的濾波器電容值應(yīng)根據(jù)以下考慮精心選擇：若容值較大，它將有助于衰減多路復(fù)用器的反沖，但它也會降低前一放大器級的相位裕量，使其變得不穩(wěn)定。
為使RC濾波器具有高Q、低溫度系數(shù)，并且在變化電壓下具有穩(wěn)定的電氣特性，建議使用C0G或NP0型電容。應(yīng)選擇合理的串聯(lián)電阻值，使放大器保持穩(wěn)定并限制其輸出電流。 R不能過大，否則在多路復(fù)用器反沖后，放大器將不能給電容充電。
