利用ADC采樣電容結構來控制系統(tǒng)級電壓浪涌-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯利用ADC采樣電容結構來控制系統(tǒng)級電壓浪涌-基礎電子當今的模擬系統(tǒng)設計工程師面臨許多設計挑戰(zhàn)。設計工程師不僅僅需要選擇合適的IC元器件，而且他們必須地預測這些元器件在系統(tǒng)內的相互作用。

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

本文將探討若干常見的輸入采樣架構類型并討論每一個模型對系統(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電容濾波器來實現(xiàn)輸入采樣。在其基本的形式中，這種輸入結構由比較小的電容和模擬開關組成。

圖1：目前一種常見的CMOSADC解決方案采用開關電容濾波器結構

當開關被配置在位置1時，采樣電容被充電到采樣節(jié)點的電壓，在這種情形下為Vs。開關然后被擲到位置2，在此，采樣電容上累計的電荷被轉移到采樣電路的其它部分。然后，該過程周而復始地進行。

系統(tǒng)級的問題

未經(jīng)緩沖的開關電容輸入可能引起嚴重的系統(tǒng)級問題。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。當該電容被切換到采樣節(jié)點時，就需要大電流以開始給電容充電。這個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ESD保護

這個開關電流由方程式：

Iin=CVf

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

當設計ADC前端的模擬電路時，必須考慮這個開關電流的含意。因為該電流通過任何電阻時會出現(xiàn)電壓降，所以，在ADC的采樣節(jié)點上會引起電壓誤差。如果大阻抗傳感器或濾波器被連接到轉換器的輸入，該誤差可能變得足夠大。假設在ADC的前面放置一個電阻以提供傳感器隔離及改進的ESD保護。

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)點上的電壓

在該例子中，采樣電容的數(shù)值為10pF，開關頻率為1MHz。利用上述方程式，計算出瞬態(tài)電流大約為25mA。因為該瞬態(tài)電流通過一個10K的電阻，所以，在采樣節(jié)點上將出現(xiàn)250mV的誤差電壓。這就是壞情況的近似，因為采樣節(jié)點可能在下一個采樣周期以前穩(wěn)定。

這個穩(wěn)定時間取決于由10K電阻與采樣電容形成的RC時間常數(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、電路板的布線長度和內部MOS開關的電容。

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)點適當?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頻率會增加。當選擇放大器及相關的電路來計算這個瞬態(tài)開關電流時要小心！

圖4：不論采用的架構如何，ADC必須實現(xiàn)ESD保護

化瞬態(tài)電流

通過實現(xiàn)一個內部緩沖器可以把對外部電路的瞬態(tài)電流的要求化。在這個實現(xiàn)方案中，模擬開關組合以形成三個不同的狀態(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”。

在這個階段期間，給電容充電所需要的瞬態(tài)電流由內部的緩沖電路提供。內部的緩沖器經(jīng)化設計，可以在所需要的開關頻率提供低阻抗的輸出，從而在所分配的時間對電容合適地充電。

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

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)點上的電壓。一些開關電流可能仍然存在，但是，從外部電路吸取的電流較少，因為電容電壓已經(jīng)被充電到內部緩沖器的偏置電壓之內。

，模擬開關被配置到位置3，讓經(jīng)采樣的電壓被傳遞到采樣電路的其它部分。經(jīng)緩沖的開關電容的優(yōu)點在于極大地降低了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，開關頻率為1MHz。

假設內部緩沖器具有一個10mV的偏置電壓，這會導致僅僅為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電流，而且提供對模擬信號的放大。

此外，通過實現(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引起的表面狀態(tài)。斬波可以消除1/f噪聲并降低對外部電流的要求。然而，一些輸入瞬態(tài)電流因MOS開關的不匹配而依然存在。

不論采用什么采樣架構，ADC必須實現(xiàn)某種形式的ESD保護。對于CMOS解決方案，這種保護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換器的內部三極管上的電壓。如果輸入電壓上升或下降到電源軌加減一個