使用運(yùn)算放大器來驅(qū)動(dòng)高精度 ADC

作者：Rick Downs，德州儀器 (TI) 高精度模擬應(yīng)用工程經(jīng)理

大多數(shù)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 都沒有高阻抗輸入。輸入信號(hào)直接通過一個(gè)開關(guān)連接到一個(gè)采樣電容器。這種負(fù)載存在一些有趣的挑戰(zhàn)。

有人試圖通過直接連接一個(gè)電位計(jì)到輸入來驗(yàn)證其 ADC 的運(yùn)行，如圖 1 所示。這樣做的結(jié)果通常讓人失望，因?yàn)楂@得的結(jié)果并不理想。這種情況下，在 ADC 輸入上看到的信號(hào)呈現(xiàn)出巨大的峰值，因?yàn)榇筝斎胱杩箯牟蓸与娙萜魑�取電流，從而�?dǎo)致對(duì)電容器充電需要大量的電流。如果在轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)間 t_ACQ 內(nèi)穩(wěn)定下來，便不會(huì)出現(xiàn)問題。但是，如果沒有在 t_ACQ 內(nèi)穩(wěn)定到 0.5 較低有效位 (LSB) 以下，則會(huì)損耗精度。

圖 1 高源阻抗會(huì)引起精度損耗

圖 2 顯示了驅(qū)動(dòng)一個(gè)高精度 ADC 的建議電路。C_SH 為 ADC 內(nèi)部的采樣電容，而 R_SW 為采樣開關(guān)的導(dǎo)通電阻（通常低到可以忽略不計(jì)）。轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)間 t_ACQ 期間，采樣開關(guān)關(guān)閉。

圖 2 驅(qū)動(dòng)高精度 ADC 的建議電路

外部 C_FLT 用于提供充電 C_SH 所需的瞬時(shí)電流，其必須至少為 20x C_SH。一般而言，1nF 較為合適。R_FLT 用于阻止驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器承受純電容性負(fù)載。這樣，R_FLT 和 C_FLT 構(gòu)建起一個(gè)時(shí)間常量為 τ = R_FLTC_FLT 的 RC 電路。

為了保證所有一切都及時(shí)穩(wěn)定以獲得精確的信號(hào)采集，t_ACQ 必須為 ≥ k τ，其中k = ln(2^(N+1))。K 為一個(gè) N 位轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定至 0.5LSB 要求的時(shí)間常量值。由此，您可以確定較大值 τ，以及 R_FLT 的值。

選擇驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的關(guān)鍵參數(shù)是其單位增益帶寬，其必須為 4(1/(2πR_FLTC_FLT)) 以足夠快地穩(wěn)定。一些設(shè)計(jì)人員通常會(huì)忘記這個(gè)要求，可能選擇一款比要求慢得多的運(yùn)算放大器，從而得到令人失望的結(jié)果。

如欲了解采樣過程、RC 時(shí)間常量計(jì)算以及正確選擇運(yùn)算放大器的更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問：

1.         《使用 SAR 模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行馬達(dá)控制應(yīng)用中的電流測量》(SBAA081)，作者：M. Oljaca 和 J. McEldowney，2002 年 10 月，網(wǎng)址：http://focus.ti.com/lit/an/sbaa081/sbaa081.pdf

2.         《設(shè)計(jì) SAR ADC 驅(qū)動(dòng)電路，第一部分：ADC 工作原理詳解》作者：R. Downs 和 M. Oljaca，2006 年 2 月，網(wǎng)址：http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_022106.pdf

3.         《ADS8342 SAR ADC 輸入》(SBAA127)，作者：M. Oljaca 和 B. Mappes，2005 年 1 月，網(wǎng)址：http://focus.ti.com/lit/an/sbaa127/sbaa127.pdf

4.         《設(shè)計(jì) SAR ADC 驅(qū)動(dòng)電路，第二部分：SAR ADC 輸入行為》，作者：R. Downs 和 M. Oljaca，2006 年 10 月：http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_100306.pdf

5.         《設(shè)計(jì) SAR ADC 驅(qū)動(dòng)電路，第三部分：為 SAR ADC 設(shè)計(jì)優(yōu)化的輸入驅(qū)動(dòng)電路》作者：R. Downs 和 M. Oljaca，2007 年 3 月：http://www.en-genius.net/includes/files/acqt_031207.pdf

6.         《外部組件提升了 SAR ADC 精度》，作者：B. Baker 和 M. Oljaca，EDN，2007 年 6 月 7 日，pp 67-75，網(wǎng)址：http://www.edn.com/article/CA6447231.html。 

7.         《驅(qū)動(dòng) SAR ADC 首先是選擇正確的運(yùn)算放大器》作者：M. Oljaca 和 B. Baker，EDN，2008 年 10 月 16，pp 43-54，網(wǎng)址： http://www.edn.com/article/CA6602451.html

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