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模数转换器 (ADCs)

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6.2 参考驱动器拓扑概述

大家好! 欢迎观看 TI 高精度 实验室系列,其中 涵盖 SAR ADC 的电压 基准注意事项。 该部分的目标 是深入了解 在基准和 ADC 输入之间 使用宽带宽 缓冲器的重要性。 我们将比较和 对照测量的 结果,从而展示 缓冲器的重要性。 最后,我们将重点 了解一些具有集成 缓冲器的器件, 这些器件可用于 简化您的设计。 在本视频中,我将 提供不同 SAR ADC 基准驱动电路 拓扑的概述。 首先,我们将定义 什么是基准缓冲器。 然后,我们将比较经缓冲的 基准和未经缓冲的基准。 最后,我们还将了解 某些器件如何集成 基准缓冲器。 “基准缓冲器” 一词用于描述 在基准和 ADC 输入之间 使用的宽 带宽放大器。 基准缓冲器可以 满足开关电容器 ADC 基准输入上 极快的瞬态电流 要求。 请注意,基准 输入的多个瞬态 可能具有毫安级的 振幅和纳秒级的间隔。 除了具有宽带宽之外, 良好的基准缓冲器需要 在整个频率范围内 具有低输出阻抗。 此外,它们需要 能够拉取和灌入 相对较大的 电流 -- 例如 正负 10 毫安。 还应注意,任何基准 缓冲器都需要具有 良好的直流性能。 也就是说,基准 缓冲器需要 具有较低的 失调电压和温漂。 最后,基准 缓冲器可以 集成到 基准中, 也可以是 外部放大器。 此处显示的图中 展示了一个外部 放大器缓冲器。 请注意,所有串联电压 基准都会具有某种类型的 内部缓冲器。 不过,在许多 情况下,该缓冲器 没有足够的 带宽或电流 驱动能力来直接 驱动 ADC 基准输入 并实现良好的 趋稳性能。 因此,当我们 在该演示中 提及基准 缓冲器时, 我们专指能够驱动 SAR ADC 基准输入和 实现良好 趋稳性能的 宽带宽缓冲器。 下图显示了 一个使用外部 宽带宽放大器 进行缓冲的基准。 您可能要问的下一个 合乎逻辑的问题是, 何时需要 基准缓冲器? 是否需要缓冲器 主要取决于两个 因素,即基准的 输出驱动能力 和 SAR ADC 输入电流需求。 SAR 基准输入 电流需求往往 是 ADC 的采样率 和分辨率的函数。 随着采样率增大, 平均基准输入 电流需求 往往会增大。 您应该知道传统 SAR ADC 中的基准 输入电流不是 静态或恒定的 直流电流, 这一点很重要。 相反,在作出 二进制加权 位决策时, 基准输入 电流包含快速 电流瞬态。 我们稍后将更详细地 介绍这一点。 另请注意, 分辨率越高的 SAR ADC 往往具有 越严苛的基准规格。 这是因为基准 电压输入必须 保持稳定,并且 稳定至小于一个 LSB。 例如,使用 5 伏 基准的 12 位 ADC 具有 1.22 毫伏的最低 有效位权重或 LSB。 相比之下,16 位 器件具有 76 微伏的更小位权重 分辨率,从而带来 严格得多的要求。 在设计数据采集 系统时,第一步 是查看 SAR ADC 数据表 以获取相关指南。 大多数 ADC 数据表 会提供 最佳电路建议, 以支持最大数据速率。 不过,可能需要 通过详细的分析 或仿真来 验证您是否 能达成性能目标, 具体取决于采样率 要求和应用中 使用的基准 器件。 让我们来看看 一些示例电路。 首先,让我们考虑 由于我们未使用 基准缓冲器 而导致性能 下降的情况。 在这里,我们展示 连接到 ADS8860 的 REF5050,前者是一款 16 位、每秒 1 兆个 样本采样率的转换器。 本例中,我们 将看到性能 会下降,因为 基准没有 足够的带宽来满足 ADC 的瞬态电流需求。 在该电路中,REF5050 器件无法在转换 时间间隔期间 对旁路电容器 进行充电以使其恢复。 在转换时间间隔 期间 SAR REFP 输入端 会产生电压降 和趋稳误差。 这些电压基准 趋稳误差会 在转换结果中 导致线性和失真。 请注意,采样率 和分辨率会 对基准带宽 要求产生影响。 在本示例中,ADS8860 是 每秒 1 兆个样本采样率、 16 位 ADC,这是相对 较快的采样率 和较高的分辨率。 因此需要使用 宽带宽缓冲器。 让我们来看看 测量的结果。 该图显示了 ADS8860 以每秒 1 兆个 样本的采样率进行 采样的 FFT 结果, 此时使用 REF5050 基准来 驱动 ADC,未使用缓冲器。 比较规格的 SNR 和 THD, 您可以看到, 与预期的负 108dB THD 相比, 测量的负 91.3dB THD 要差很多。 此外,如果您 看看 FFT, 您会注意到相对 较大的二次和三次谐波。 在下一张幻灯片中, 我们将放置一个 具有足够带宽和低输出 阻抗的基准缓冲器来 驱动基准输入, 从而解决该问题。 该图显示的配置 与上一个电路 非常类似。 这两个电路的 数据转换器和 测试条件是相同的。 唯一的变化 是使用 REF6050 替换了 REF5050。 这两个器件都是 低噪声、低漂移精密 基准,具有非常 类似的规格。 这两个基准 之间的主要 差异是 REF6050 的 输出端使用了 一个宽带宽缓冲器。 该缓冲器在整个 频率范围内具有 低输出阻抗并经过 优化,以驱动开关 电容器基准输入。 使用 REF6050 等 器件的一个主要 好处是,其 PCB 板面积 和复杂度比分立式 基准缓冲器要小。 实际上,REF6050 和 REF5050 是引脚 对引脚兼容的。 那么,让我们来看看 更换基准是如何影响 ADS8860 性能的。 在这里,我们将 ADS8860 性能与 其他两款基准 进行比较。 首先,请注意,对于 数据转换器规格 而言,SNR 为 93dB, THD 为负 108dB。 理想情况下,我们 测量的系统应符合 数据表规格。 如果不符合相关 规格,那么基准等 某些外部 组件可能 是限制因素。 左侧的图显示了 采用 REF5050 时的性能。 尽管该基准是 一款低噪声、 低漂移精密 基准,但您可以 看到其 THD 比规格要 差很多。 根据规格,我们 应达到负 108dB。 但我们仅达到 负 91.3dB。 另一方面, 右侧的图 显示了 REF6050 的性能。 通过比较这些 FFT,您可以看到 该系统的谐波 得到了显著改善。 此外,将测量的 SNR 和 THD 与规格 进行比较,您可以看到 我们与规格非常接近。 这里的关键点是, 采用宽带宽缓冲器的 基准能够实现 更佳的失真规格, 因为它能够 响应基准 输入端大 而快速的 瞬态。 接下来,让我们来 看看采样率如何 影响基准驱动要求。 在这里,我们展示一个 并不总是需要宽带宽 基准的示例。 回忆一下前一个 示例,REF5050 没有 集成式宽带宽 输出缓冲器。 因此,当以每秒 1 兆个 样本的速率使用该基准时, 我们看到性能会下降。 在这里,我们使用 另一款数据转换器, 即 ADS8326,它是一款最大 采样率为每秒 25 万个 样本的 16 位器件。 实际上,将该数据 转换器与 REF5050 配合使用可实现 非常好的性能。 这是因为每秒 25 万个样本 相对较慢的 采样率使 REF5050 能够在转换 之间的时间 间隔期间对 旁路电容器 进行充电。 为了实现最佳性能,应使用 相对较大的旁路电容器, 这一点很重要。 REF5050 能够驱动 大容性负载。 此外,选择能够 拉取和同步大 电流的基准 也很重要。 例如,REF5050 能够 拉取正负 10 毫安的电流。 务必查看基准 数据表中的容性驱动 能力和输出 电流规格, 因为某些基准 会受到限制。 请注意,对于 该示例配置, ADS8326 无需使用宽带宽 缓冲器即可满足 数据表 THD 和 SNR 规格。 如果您需要使用 基准缓冲器,那么 从简单性角度 而言,您应使用 简单的运算器 单位增益跟随器, 如左侧所示。 该简单设计的 问题是,缓冲器 需要具有 良好的交流 和直流特性。 失调电压和温漂 应较低, 否则基准的 精度会降低。 此外,带宽 应较高。 输出阻抗应在整个 频率范围内较低 且平坦。 大多数放大器针对 交流或直流特性 进行了优化。 因此,找到理想的基准 缓冲器可能具有挑战性。 解决该问题的一种方法 是使用复合放大器。 复合放大器将 使用两个放大器, 一个放大器针对良好的 直流操作进行了优化, 另一个放大器针对 带宽进行了优化。 右侧显示了 复合放大器的 一个示例。 OPA378 输入放大器 是一款斩波放大器。 斩波放大器可提供 出色的直流精度, 因为它们能够 持续地自动校准 失调电压和温漂。 在本例中, 失调电压为 50 毫伏。 漂移为每摄氏度 0.25 微伏。 不过,该器件的 带宽和输出 阻抗不足以 驱动基准 输入。 OPA625 输出放大器 可提供 125 兆赫兹的 高带宽,并且可以 在整个频率范围内 提供极低的输出阻抗, 能够驱动 SAR ADC 动态 负载。 由于在反馈环路的 输入端使用了 OPA378, 因此 OPA625 的失调电压和 漂移误差得到更正。 复合放大器 输出端的 OPA625 仍可以响应 ADC 的快速瞬态。 因此复合放大器基本上可以 在这两个方面实现最佳的性能。 它可以通过 OPA378 实现 良好的直流特性,并且 通过 OPA625 实现 良好的交流特性。 在查看电路 之后,您可能会 由于它太复杂 而放弃使用它。 不过,要在高数据速率下 实现最高性能,可能需要 使用该电路。 ADC 数据表 通常会提供 ADC 驱动电路建议。 因此,应在选择拓扑 之前查看数据表。 许多现代 SAR ADC 包含内部基准和 基准缓冲器。 该幻灯片显示了 高性能 ADS8900B, 这是一款可以在 每秒 1 兆个样本的 快速采样率下提供 20 位 极高分辨率的 SAR ADC。 在本例中,电压 基准的输出 连接到高阻抗 缓冲器输入。 因此,电压基准 看不到来自 ADC 的 任何瞬态。 利用该便利的 功能,可以将多个 ADC 器件连接到 单个电压基准。 该方法可简化 校准并降低 系统复杂性。 请注意,每个器件都需要 在基准缓冲器输出端 使用本地旁路电容器。 基准缓冲器的 另一个好处是, 基准可以将 传统 RC 降噪 滤波器连接到 其输出端。 如果您查看 该示例,会发现 1k 欧姆、10 微法拉滤波器 可以将噪声限制为 159 赫兹。 无法在不使用 缓冲器的情况下 使用该类 滤波器,因为 1k 欧姆的电阻器 会限制其响应 基准输入大电流 瞬态的能力。 一般来说,现代 ADC 往往会集成 更多的此类 便利功能, 从而简化设计 并减小 PCB 面积。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以 检查您对本视频 内容的理解。 284

大家好!

欢迎观看 TI 高精度 实验室系列,其中

涵盖 SAR ADC 的电压 基准注意事项。

该部分的目标 是深入了解

在基准和 ADC 输入之间

使用宽带宽 缓冲器的重要性。

我们将比较和 对照测量的

结果,从而展示 缓冲器的重要性。

最后,我们将重点 了解一些具有集成

缓冲器的器件, 这些器件可用于

简化您的设计。

在本视频中,我将 提供不同 SAR ADC

基准驱动电路 拓扑的概述。

首先,我们将定义 什么是基准缓冲器。

然后,我们将比较经缓冲的 基准和未经缓冲的基准。

最后,我们还将了解 某些器件如何集成

基准缓冲器。

“基准缓冲器” 一词用于描述

在基准和 ADC 输入之间

使用的宽 带宽放大器。

基准缓冲器可以 满足开关电容器

ADC 基准输入上 极快的瞬态电流

要求。

请注意,基准 输入的多个瞬态

可能具有毫安级的 振幅和纳秒级的间隔。

除了具有宽带宽之外, 良好的基准缓冲器需要

在整个频率范围内 具有低输出阻抗。

此外,它们需要 能够拉取和灌入

相对较大的 电流 -- 例如

正负 10 毫安。

还应注意,任何基准 缓冲器都需要具有

良好的直流性能。

也就是说,基准 缓冲器需要

具有较低的 失调电压和温漂。

最后,基准 缓冲器可以

集成到 基准中,

也可以是 外部放大器。

此处显示的图中 展示了一个外部

放大器缓冲器。

请注意,所有串联电压 基准都会具有某种类型的

内部缓冲器。

不过,在许多 情况下,该缓冲器

没有足够的 带宽或电流

驱动能力来直接 驱动 ADC 基准输入

并实现良好的 趋稳性能。

因此,当我们 在该演示中

提及基准 缓冲器时,

我们专指能够驱动 SAR ADC 基准输入和

实现良好 趋稳性能的

宽带宽缓冲器。

下图显示了 一个使用外部

宽带宽放大器 进行缓冲的基准。

您可能要问的下一个 合乎逻辑的问题是,

何时需要 基准缓冲器?

是否需要缓冲器 主要取决于两个

因素,即基准的 输出驱动能力

和 SAR ADC 输入电流需求。

SAR 基准输入 电流需求往往

是 ADC 的采样率 和分辨率的函数。

随着采样率增大, 平均基准输入

电流需求 往往会增大。

您应该知道传统 SAR ADC 中的基准

输入电流不是 静态或恒定的

直流电流, 这一点很重要。

相反,在作出 二进制加权

位决策时, 基准输入

电流包含快速 电流瞬态。

我们稍后将更详细地 介绍这一点。

另请注意, 分辨率越高的

SAR ADC 往往具有 越严苛的基准规格。

这是因为基准 电压输入必须

保持稳定,并且 稳定至小于一个 LSB。

例如,使用 5 伏 基准的 12 位

ADC 具有 1.22 毫伏的最低

有效位权重或 LSB。

相比之下,16 位 器件具有 76

微伏的更小位权重 分辨率,从而带来

严格得多的要求。

在设计数据采集 系统时,第一步

是查看 SAR ADC 数据表

以获取相关指南。

大多数 ADC 数据表 会提供

最佳电路建议, 以支持最大数据速率。

不过,可能需要 通过详细的分析

或仿真来 验证您是否

能达成性能目标, 具体取决于采样率

要求和应用中 使用的基准

器件。

让我们来看看 一些示例电路。

首先,让我们考虑 由于我们未使用

基准缓冲器 而导致性能

下降的情况。

在这里,我们展示 连接到 ADS8860 的

REF5050,前者是一款 16 位、每秒 1 兆个

样本采样率的转换器。

本例中,我们 将看到性能

会下降,因为 基准没有

足够的带宽来满足 ADC 的瞬态电流需求。

在该电路中,REF5050 器件无法在转换

时间间隔期间 对旁路电容器

进行充电以使其恢复。

在转换时间间隔 期间 SAR REFP 输入端

会产生电压降 和趋稳误差。

这些电压基准 趋稳误差会

在转换结果中 导致线性和失真。

请注意,采样率 和分辨率会

对基准带宽 要求产生影响。

在本示例中,ADS8860 是 每秒 1 兆个样本采样率、

16 位 ADC,这是相对 较快的采样率

和较高的分辨率。

因此需要使用 宽带宽缓冲器。

让我们来看看 测量的结果。

该图显示了 ADS8860 以每秒 1 兆个

样本的采样率进行 采样的 FFT 结果,

此时使用 REF5050 基准来 驱动 ADC,未使用缓冲器。

比较规格的 SNR 和 THD,

您可以看到, 与预期的负

108dB THD 相比, 测量的负 91.3dB

THD 要差很多。

此外,如果您 看看 FFT,

您会注意到相对 较大的二次和三次谐波。

在下一张幻灯片中, 我们将放置一个

具有足够带宽和低输出 阻抗的基准缓冲器来

驱动基准输入, 从而解决该问题。

该图显示的配置 与上一个电路

非常类似。

这两个电路的 数据转换器和

测试条件是相同的。

唯一的变化 是使用 REF6050

替换了 REF5050。

这两个器件都是 低噪声、低漂移精密

基准,具有非常 类似的规格。

这两个基准 之间的主要

差异是 REF6050 的 输出端使用了

一个宽带宽缓冲器。

该缓冲器在整个 频率范围内具有

低输出阻抗并经过 优化,以驱动开关

电容器基准输入。

使用 REF6050 等 器件的一个主要

好处是,其 PCB 板面积 和复杂度比分立式

基准缓冲器要小。

实际上,REF6050 和 REF5050 是引脚

对引脚兼容的。

那么,让我们来看看 更换基准是如何影响

ADS8860 性能的。

在这里,我们将 ADS8860 性能与

其他两款基准 进行比较。

首先,请注意,对于 数据转换器规格

而言,SNR 为 93dB, THD 为负 108dB。

理想情况下,我们 测量的系统应符合

数据表规格。

如果不符合相关 规格,那么基准等

某些外部 组件可能

是限制因素。

左侧的图显示了 采用 REF5050 时的性能。

尽管该基准是 一款低噪声、

低漂移精密 基准,但您可以

看到其 THD 比规格要

差很多。

根据规格,我们 应达到负 108dB。

但我们仅达到 负 91.3dB。

另一方面, 右侧的图

显示了 REF6050 的性能。

通过比较这些 FFT,您可以看到

该系统的谐波 得到了显著改善。

此外,将测量的 SNR 和 THD 与规格

进行比较,您可以看到 我们与规格非常接近。

这里的关键点是, 采用宽带宽缓冲器的

基准能够实现 更佳的失真规格,

因为它能够 响应基准

输入端大 而快速的

瞬态。

接下来,让我们来 看看采样率如何

影响基准驱动要求。

在这里,我们展示一个 并不总是需要宽带宽

基准的示例。

回忆一下前一个 示例,REF5050 没有

集成式宽带宽 输出缓冲器。

因此,当以每秒 1 兆个 样本的速率使用该基准时,

我们看到性能会下降。

在这里,我们使用 另一款数据转换器,

即 ADS8326,它是一款最大 采样率为每秒 25 万个

样本的 16 位器件。

实际上,将该数据 转换器与 REF5050

配合使用可实现 非常好的性能。

这是因为每秒 25 万个样本

相对较慢的 采样率使 REF5050

能够在转换 之间的时间

间隔期间对 旁路电容器

进行充电。

为了实现最佳性能,应使用 相对较大的旁路电容器,

这一点很重要。

REF5050 能够驱动 大容性负载。

此外,选择能够 拉取和同步大

电流的基准 也很重要。

例如,REF5050 能够 拉取正负 10

毫安的电流。

务必查看基准 数据表中的容性驱动

能力和输出 电流规格,

因为某些基准 会受到限制。

请注意,对于 该示例配置,

ADS8326 无需使用宽带宽 缓冲器即可满足

数据表 THD 和 SNR 规格。

如果您需要使用 基准缓冲器,那么

从简单性角度 而言,您应使用

简单的运算器 单位增益跟随器,

如左侧所示。

该简单设计的 问题是,缓冲器

需要具有 良好的交流

和直流特性。

失调电压和温漂 应较低,

否则基准的 精度会降低。

此外,带宽 应较高。

输出阻抗应在整个 频率范围内较低

且平坦。

大多数放大器针对 交流或直流特性

进行了优化。

因此,找到理想的基准 缓冲器可能具有挑战性。

解决该问题的一种方法 是使用复合放大器。

复合放大器将 使用两个放大器,

一个放大器针对良好的 直流操作进行了优化,

另一个放大器针对 带宽进行了优化。

右侧显示了 复合放大器的

一个示例。

OPA378 输入放大器 是一款斩波放大器。

斩波放大器可提供 出色的直流精度,

因为它们能够 持续地自动校准

失调电压和温漂。

在本例中, 失调电压为 50 毫伏。

漂移为每摄氏度 0.25 微伏。

不过,该器件的 带宽和输出

阻抗不足以 驱动基准

输入。

OPA625 输出放大器 可提供 125 兆赫兹的

高带宽,并且可以 在整个频率范围内

提供极低的输出阻抗, 能够驱动 SAR ADC 动态

负载。

由于在反馈环路的 输入端使用了 OPA378,

因此 OPA625 的失调电压和 漂移误差得到更正。

复合放大器 输出端的 OPA625

仍可以响应 ADC 的快速瞬态。

因此复合放大器基本上可以 在这两个方面实现最佳的性能。

它可以通过 OPA378 实现 良好的直流特性,并且

通过 OPA625 实现 良好的交流特性。

在查看电路 之后,您可能会

由于它太复杂 而放弃使用它。

不过,要在高数据速率下 实现最高性能,可能需要

使用该电路。

ADC 数据表 通常会提供 ADC

驱动电路建议。

因此,应在选择拓扑 之前查看数据表。

许多现代 SAR ADC 包含内部基准和

基准缓冲器。

该幻灯片显示了 高性能 ADS8900B,

这是一款可以在 每秒 1 兆个样本的

快速采样率下提供 20 位 极高分辨率的 SAR ADC。

在本例中,电压 基准的输出

连接到高阻抗 缓冲器输入。

因此,电压基准 看不到来自 ADC 的

任何瞬态。

利用该便利的 功能,可以将多个

ADC 器件连接到 单个电压基准。

该方法可简化 校准并降低

系统复杂性。

请注意,每个器件都需要 在基准缓冲器输出端

使用本地旁路电容器。

基准缓冲器的 另一个好处是,

基准可以将 传统 RC 降噪

滤波器连接到 其输出端。

如果您查看 该示例,会发现

1k 欧姆、10 微法拉滤波器 可以将噪声限制为 159 赫兹。

无法在不使用 缓冲器的情况下

使用该类 滤波器,因为

1k 欧姆的电阻器 会限制其响应

基准输入大电流 瞬态的能力。

一般来说,现代 ADC 往往会集成

更多的此类 便利功能,

从而简化设计 并减小 PCB 面积。

本视频到此结束。

谢谢观看。

请尝试完成测验以 检查您对本视频

内容的理解。 284

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6.2 参考驱动器拓扑概述

所属课程:TI 高精度实验室 – ADC系列视频 发布时间:2019.05.23 视频集数:44 本节视频时长:00:14:27
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