2.1 数据转换器介绍 - SAR型ADC输入类型

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室

本视频将会对 ADC 不同输入结构

包括单端输入、伪差分输入

全差分输入和真差分输入进行介绍

同时还会对比讨论

单极性和双极性两种结构

以及开关电容型

和内部集成 Buffer 型两者的区别

这里展示的是两种非常常见的

SAR 型的数据转换输入结构

单端输入和伪差分输入

单端输入结构的输入信号

是相对于地来测量的

在这个例子中

AD 的正输入端连接到了输入信号

负端连接到了地

有的器件

地线是和内部结构连接在了一起

只有一个输入端

需要注意的是

地线有非常严格的限制

一般为正负 100mV

下方的这个波形

展示了输入信号

相对于地平面的计算公式

如果地上有一个小小的误差信号

它将会影响输入信号的大小

伪差分输入结构的输入信号

是相对于满量程的一半来测量的

在这个例子中

满量程为 3V

AD 的负输入端连接到了满量程的一半

即1.5V，±100mV

正输入端可以在负输入端的上下进行摆动

产生正负差分输入信号

这个例子中

当正输入端为 3V 时

差分输入电压为 3V 减去 1.5V

即为 1.5V

当正输入电压为 0V 时

差分输入电压为 0 减去 1.5V

等于 -1.5V

等于 -1.5V

因此对于伪差分输入型器件

它的输出数字代码是有符号的

因为它存在正负两种情况

同理，对于单端输入结构

它的输出代码均是无符号的

因为它的所有收入信号都是正的

接下来是 ADC 的两种差分输入结构

在讨论这个之前

我们先简单介绍一下

什么是差分信号

差分信号是等于

正输入电压减去负输入电压

在这个例子中

如果正输入电压为 5V

负输入为 0V

那么它的差分信号就为 5V

当正输入为 0V，负输入为 5V 时

它的差分信号为 -5V

虽然这两个输入电压都是 0V 和 5V

但是它的差分输入范围是 ±5V

所以差分输入范围是每个输入电压的两倍

另外一个非常重要的概念就是共模电压

共模电压是两个输入电压的平均值

简单的计算方法就是

将两个电压相加除以2

共模输入电压是数据转换中

非常重要的一个限制参数

下面就是全差分输入结构

全差分输入结构

在精密 SAR 型 ADC 中应用很多

在这个例子中

输入差分信号为正输入减去负输入

如上页所讲

差分输入范围是两倍的输入电压

在这个例子中

每个数端的信号为 0 到 5V

那么差分数范围就是 ±5V 或者 10V

需要注意的是共模电压是固定的

它等于满量程的一半

共模输入电压的精度是非常重要的

一般允许误差范围为 ±100mV

对于全差分输入结构

可以看出

信号总是关于共模电压对称的

在这个例子中共模电压为 2.5V

输出电压关于 2.5V 进行对称

后面我们会介绍如何使用运放

将端端输入转化为差分输入结构

接下来是真差分输入结构

它与全差分类似

最主要的区别在于

真差分结构允许任意的共模电压范围

而全差分结构

共模电压必须为满量程的一半

这里展示的是 ADS8881 的例子

两个输入电压是相互独立的

输入范围为正输入减去负输入

需要注意的是

共模电压可以在整个范围内变化

同时也可以看得出

输入信号并没有关于共模电压对称

全差分数据结构是一种非常常见的结构

而 ADS8881 是 TI 第一颗发布的

真差分型 ADC

真差分型 ADC

这张表格是几种 ADC 输入结构的总结

假如一个 16 位ADC

参考电压为 5V

这里是不同结构的对比结果

可以很容易看得出来几种结构

的输入电压范围

共模电压范围、满量程范围

和输出代码

这张表格涵盖了每个拓扑结构的内容

可以为以后的设计提供参考

另一个重要的部分

就是 SAR 型 ADC 单极性和双极性的对比

单极性结构只允许正输入信号

而双极性允许正负两种输入

需要注意的是

这里的极性都是相对于地面来说的

在下一节内容中

我们将会介绍

当每个输入端电压都为正时

单极性器件的差分输入电压为何是为负的

当考虑差分输入型 ADC 时

我们通常会认为 ADC 是双极性的

因为它的差分输入包括了正负

然而这样的理解是不正确的

因为单极性和双极性

是根据输入信号相对于地面来定义的

而不是差分信号

这里展示的就是一个单极性 ADC

两个输入电压均为正时

差分信号为负的一个例子

左边这张图是 ADS8881

负满量程输入的例子

差分信号是用正输入减去负输入

例子中正输入电压为 0V

负输入电压为 5V

那么它的差分信号就为 -5V

尽管差分信号为负的

但输入电压都是正的

所以它仍然属于单极性结构

右手边这个图可以看出

将 5V 电压接到正输入端

0V 接到负输入端

则差分信号为 +5V

所以它的总的满量程输入范围

为 ±5V

从传递函数也可以

看出具有±5V 的输入范围

但是它仍然是单极性 ADC

因为它的每个输入电压都为正

现在我们来讨论一下

SAR 型 ADC的内部结构

这里呈现的是两种主要的输入阻抗结构

电阻型和开关电容型

开关电容型由

开关和电容组成的采样保持电路构成

一般情况下采样和保持的时间非常短

这里是 300ns

所以需要一个

外部的宽带放大器放置在输入端

以使输入信号在整个捕获周期内

达到合适的精度

这里使用的是一个 20M 的放大器

还需要注意的是

这种结构的输入阻抗

是 RC 构成的动态阻抗

而不是一个固定电阻

开关电容型结构的 SAR 型 ADC 输入范围

等于参考电压

运算放大器的选择和 RC 电路的设计

是这类 ADC 的一个难点

在后面的视频中我们会给出详细的介绍

对于电阻型、高压型、PGA 输入型 ADC 器件

其内部集成了一个缓冲放大器

或可编程放大器

通常来讲

这个放大器应配置在差分结构中

使 ADC 的输入阻抗

等于差分结构的输入电阻

这个例子中它的输入阻抗为 1MΩ

这种类型的输入结构

比开关电容输入结构

有一个非常重要的优点

那就是它内部集成了 ADC 驱动缓冲器

消除了对外部高速放大器的要求

另一个优点是

输入范围可以大于参考电压

这个例子中输入范围可以达到 ±12.288V

然而它的参考电压只有4.096V

此外

这类结构的器件

大多数将功能集中在了器件的内部

比如它集成了内部参考

以上就是本次的内容

谢谢大家关看

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室

本视频将会对 ADC 不同输入结构

包括单端输入、伪差分输入

全差分输入和真差分输入进行介绍

同时还会对比讨论

单极性和双极性两种结构

以及开关电容型

和内部集成 Buffer 型两者的区别

这里展示的是两种非常常见的

SAR 型的数据转换输入结构

单端输入和伪差分输入

单端输入结构的输入信号

是相对于地来测量的

在这个例子中

AD 的正输入端连接到了输入信号

负端连接到了地

有的器件

地线是和内部结构连接在了一起

只有一个输入端

需要注意的是

地线有非常严格的限制

一般为正负 100mV

下方的这个波形

展示了输入信号

相对于地平面的计算公式

如果地上有一个小小的误差信号

它将会影响输入信号的大小

伪差分输入结构的输入信号

是相对于满量程的一半来测量的

在这个例子中

满量程为 3V

AD 的负输入端连接到了满量程的一半

即1.5V，±100mV

正输入端可以在负输入端的上下进行摆动

产生正负差分输入信号

这个例子中

当正输入端为 3V 时

差分输入电压为 3V 减去 1.5V

即为 1.5V

当正输入电压为 0V 时

差分输入电压为 0 减去 1.5V

等于 -1.5V

等于 -1.5V

因此对于伪差分输入型器件

它的输出数字代码是有符号的

因为它存在正负两种情况

同理，对于单端输入结构

它的输出代码均是无符号的

因为它的所有收入信号都是正的

接下来是 ADC 的两种差分输入结构

在讨论这个之前

我们先简单介绍一下

什么是差分信号

差分信号是等于

正输入电压减去负输入电压

在这个例子中

如果正输入电压为 5V

负输入为 0V

那么它的差分信号就为 5V

当正输入为 0V，负输入为 5V 时

它的差分信号为 -5V

虽然这两个输入电压都是 0V 和 5V

但是它的差分输入范围是 ±5V

所以差分输入范围是每个输入电压的两倍

另外一个非常重要的概念就是共模电压

共模电压是两个输入电压的平均值

简单的计算方法就是

将两个电压相加除以2

共模输入电压是数据转换中

非常重要的一个限制参数

下面就是全差分输入结构

全差分输入结构

在精密 SAR 型 ADC 中应用很多

在这个例子中

输入差分信号为正输入减去负输入

如上页所讲

差分输入范围是两倍的输入电压

在这个例子中

每个数端的信号为 0 到 5V

那么差分数范围就是 ±5V 或者 10V

需要注意的是共模电压是固定的

它等于满量程的一半

共模输入电压的精度是非常重要的

一般允许误差范围为 ±100mV

对于全差分输入结构

可以看出

信号总是关于共模电压对称的

在这个例子中共模电压为 2.5V

输出电压关于 2.5V 进行对称

后面我们会介绍如何使用运放

将端端输入转化为差分输入结构

接下来是真差分输入结构

它与全差分类似

最主要的区别在于

真差分结构允许任意的共模电压范围

而全差分结构

共模电压必须为满量程的一半

这里展示的是 ADS8881 的例子

两个输入电压是相互独立的

输入范围为正输入减去负输入

需要注意的是

共模电压可以在整个范围内变化

同时也可以看得出

输入信号并没有关于共模电压对称

全差分数据结构是一种非常常见的结构

而 ADS8881 是 TI 第一颗发布的

真差分型 ADC

真差分型 ADC

这张表格是几种 ADC 输入结构的总结

假如一个 16 位ADC

参考电压为 5V

这里是不同结构的对比结果

可以很容易看得出来几种结构

的输入电压范围

共模电压范围、满量程范围

和输出代码

这张表格涵盖了每个拓扑结构的内容

可以为以后的设计提供参考

另一个重要的部分

就是 SAR 型 ADC 单极性和双极性的对比

单极性结构只允许正输入信号

而双极性允许正负两种输入

需要注意的是

这里的极性都是相对于地面来说的

在下一节内容中

我们将会介绍

当每个输入端电压都为正时

单极性器件的差分输入电压为何是为负的

当考虑差分输入型 ADC 时

我们通常会认为 ADC 是双极性的

因为它的差分输入包括了正负

然而这样的理解是不正确的

因为单极性和双极性

是根据输入信号相对于地面来定义的

而不是差分信号

这里展示的就是一个单极性 ADC

两个输入电压均为正时

差分信号为负的一个例子

左边这张图是 ADS8881

负满量程输入的例子

差分信号是用正输入减去负输入

例子中正输入电压为 0V

负输入电压为 5V

那么它的差分信号就为 -5V

尽管差分信号为负的

但输入电压都是正的

所以它仍然属于单极性结构

右手边这个图可以看出

将 5V 电压接到正输入端

0V 接到负输入端

则差分信号为 +5V

所以它的总的满量程输入范围

为 ±5V

从传递函数也可以

看出具有±5V 的输入范围

但是它仍然是单极性 ADC

因为它的每个输入电压都为正

现在我们来讨论一下

SAR 型 ADC的内部结构

这里呈现的是两种主要的输入阻抗结构

电阻型和开关电容型

开关电容型由

开关和电容组成的采样保持电路构成

一般情况下采样和保持的时间非常短

这里是 300ns

所以需要一个

外部的宽带放大器放置在输入端

以使输入信号在整个捕获周期内

达到合适的精度

这里使用的是一个 20M 的放大器

还需要注意的是

这种结构的输入阻抗

是 RC 构成的动态阻抗

而不是一个固定电阻

开关电容型结构的 SAR 型 ADC 输入范围

等于参考电压

运算放大器的选择和 RC 电路的设计

是这类 ADC 的一个难点

在后面的视频中我们会给出详细的介绍

对于电阻型、高压型、PGA 输入型 ADC 器件

其内部集成了一个缓冲放大器

或可编程放大器

通常来讲

这个放大器应配置在差分结构中

使 ADC 的输入阻抗

等于差分结构的输入电阻

这个例子中它的输入阻抗为 1MΩ

这种类型的输入结构

比开关电容输入结构

有一个非常重要的优点

那就是它内部集成了 ADC 驱动缓冲器

消除了对外部高速放大器的要求

另一个优点是

输入范围可以大于参考电压

这个例子中输入范围可以达到 ±12.288V

然而它的参考电压只有4.096V

此外

这类结构的器件

大多数将功能集中在了器件的内部

比如它集成了内部参考

以上就是本次的内容

谢谢大家关看