利用ADC采樣電容結(jié)構(gòu)來控制系統(tǒng)級(jí)電壓浪涌-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯利用ADC采樣電容結(jié)構(gòu)來控制系統(tǒng)級(jí)電壓浪涌-基礎(chǔ)電子當(dāng)今的模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)工程師不僅僅需要選擇合適的IC元器件，而且他們必須地預(yù)測(cè)這些元器件在系統(tǒng)內(nèi)的相互作用。

從這一點(diǎn)上說，ADC可能引起特別困難的挑戰(zhàn)，提供了各種各樣在系統(tǒng)級(jí)必須考慮的不同的輸入采樣架構(gòu)。

本文將探討若干常見的輸入采樣架構(gòu)類型并討論每一個(gè)模型對(duì)系統(tǒng)的其它部分的牽涉作用。

在目前許多的CMOSADC中，一種常見的解決方案就是采用開關(guān)電容濾波器來實(shí)現(xiàn)輸入采樣。在其基本的形式中，這種輸入結(jié)構(gòu)由比較小的電容和模擬開關(guān)組成。

圖1：目前一種常見的CMOSADC解決方案采用開關(guān)電容濾波器結(jié)構(gòu)

當(dāng)開關(guān)被配置在位置1時(shí)，采樣電容被充電到采樣節(jié)點(diǎn)的電壓，在這種情形下為Vs。開關(guān)然后被擲到位置2，在此，采樣電容上累計(jì)的電荷被轉(zhuǎn)移到采樣電路的其它部分。然后，該過程周而復(fù)始地進(jìn)行。

系統(tǒng)級(jí)的問題

未經(jīng)緩沖的開關(guān)電容輸入可能引起嚴(yán)重的系統(tǒng)級(jí)問題。例如，把采樣電容充電到合適的電壓所需要的電流必須由連接到ADC輸入的外部電路提供。當(dāng)該電容被切換到采樣節(jié)點(diǎn)時(shí)，就需要大電流以開始給電容充電。這個(gè)瞬間電流的幅度是采樣電容的大小、采樣電容被切換的頻率及采樣節(jié)點(diǎn)上呈現(xiàn)的電壓的函數(shù)。

圖2：在ADC中的電阻提供傳感器隔離并改進(jìn)ESD保護(hù)

這個(gè)開關(guān)電流由方程式：

Iin=CVf

描述，其中，C是采樣電容的容值，V是采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓，f是采樣開關(guān)打開和關(guān)閉的頻率。該開關(guān)電流在采樣節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生大電流峰值。

當(dāng)設(shè)計(jì)ADC前端的模擬電路時(shí)，必須考慮這個(gè)開關(guān)電流的含意。因?yàn)樵撾娏魍ㄟ^任何電阻時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓降，所以，在ADC的采樣節(jié)點(diǎn)上會(huì)引起電壓誤差。如果大阻抗傳感器或?yàn)V波器被連接到轉(zhuǎn)換器的輸入，該誤差可能變得足夠大。假設(shè)在ADC的前面放置一個(gè)電阻以提供傳感器隔離及改進(jìn)的ESD保護(hù)。

圖3：采樣電容被充電或放電，以便電容上的電壓等于采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓

在該例子中，采樣電容的數(shù)值為10pF，開關(guān)頻率為1MHz。利用上述方程式，計(jì)算出瞬態(tài)電流大約為25mA。因?yàn)樵撍矐B(tài)電流通過一個(gè)10K的電阻，所以，在采樣節(jié)點(diǎn)上將出現(xiàn)250mV的誤差電壓。這就是壞情況的近似，因?yàn)椴蓸庸?jié)點(diǎn)可能在下一個(gè)采樣周期以前穩(wěn)定。

這個(gè)穩(wěn)定時(shí)間取決于由10K電阻與采樣電容形成的RC時(shí)間常數(shù)，以及在ADC輸入上的寄生電容。寄生電容可能歸因于ADC的引腳、電路板的布線長(zhǎng)度和內(nèi)部MOS開關(guān)的電容。

可能需要外部緩沖電路來提供所需要的電流，并確保采樣節(jié)點(diǎn)適當(dāng)?shù)胤€(wěn)定以維持線性。

然而，放大器的輸出阻抗在較高的開關(guān)頻率會(huì)增加。當(dāng)選擇放大器及相關(guān)的電路來計(jì)算這個(gè)瞬態(tài)開關(guān)電流時(shí)要小心！

圖4：不論采用的架構(gòu)如何，ADC必須實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)

化瞬態(tài)電流

通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)部緩沖器可以把對(duì)外部電路的瞬態(tài)電流的要求化。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，模擬開關(guān)組合以形成三個(gè)不同的狀態(tài)。在位置1，采樣電容被快速地充電到采樣“節(jié)電電壓+或-緩沖偏置電壓”。

在這個(gè)階段期間，給電容充電所需要的瞬態(tài)電流由內(nèi)部的緩沖電路提供。內(nèi)部的緩沖器經(jīng)化設(shè)計(jì)，可以在所需要的開關(guān)頻率提供低阻抗的輸出，從而在所分配的時(shí)間對(duì)電容合適地充電。

開關(guān)然后被重新配置以創(chuàng)建在位置2的連接。在這個(gè)階段期間，采樣電容被直接連接到ADC的采樣節(jié)點(diǎn)。

采樣電容然后被充電或放電，以便電容上的電壓等于采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓。一些開關(guān)電流可能仍然存在，但是，從外部電路吸取的電流較少，因?yàn)殡娙蓦妷阂呀?jīng)被充電到內(nèi)部緩沖器的偏置電壓之內(nèi)。

，模擬開關(guān)被配置到位置3，讓經(jīng)采樣的電壓被傳遞到采樣電路的其它部分。經(jīng)緩沖的開關(guān)電容的優(yōu)點(diǎn)在于極大地降低了ADC從外部電路吸取的瞬態(tài)電流。在更早的例子中，采樣電容為10pF，開關(guān)頻率為1MHz。

假設(shè)內(nèi)部緩沖器具有一個(gè)10mV的偏置電壓，這會(huì)導(dǎo)致僅僅為100nA的瞬態(tài)電流，與未經(jīng)緩沖的采樣輸入相比，瞬態(tài)電流被降低了250倍。

在一些情形下，一個(gè)固定增益或可編程增益放大器被集成到ADC前面的同一芯片之中。放大器不僅僅有助于減低必須由外部電路提供的開關(guān)電流，而且提供對(duì)模擬信號(hào)的放大。

此外，通過實(shí)現(xiàn)斬波穩(wěn)定放大器也可以降低1/f噪聲，1/f噪聲有時(shí)侯也被稱為閃爍噪聲。這種低頻噪聲歸因于在MOS三極管的溝道中由工藝技術(shù)引起的表面狀態(tài)。斬波可以消除1/f噪聲并降低對(duì)外部電流的要求。然而，一些輸入瞬態(tài)電流因MOS開關(guān)的不匹配而依然存在。

不論采用什么采樣架構(gòu)，ADC必須實(shí)現(xiàn)某種形式的ESD保護(hù)。對(duì)于CMOS解決方案，這種保護(hù)通常采用箝位二極管的形式。

這些箝位二極管有效地限制了可能被施加在轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部三極管上的電壓。如果輸入電壓上升或下降到電源軌加減一個(gè)