-如何利用输入高阻技术降低解决方案功耗和尺寸

多路复用SAR ADC通常用于需要不断监视系统中多个关键变量的应用程序。在光通信应用中,通过光力测量可以监测激光偏移,而在VSM应用中,可以监测电极的EEG/ECG信号。这些多路复用应用程序有一些共同的要求。

有很多通道可以监视。一般来说,ADC依次监视所有通道。

信道电压通常互不相关。

对系统大小和功耗有严格的限制。

由于这些要求,设计师将面临一些挑战。当ADC在一个信道上完成转换后,ADC内的采样电容器会以该信道电压充电。如果采样电容的电压与序列中下一个通道的电压相差很大,则必须通过信号链设计采样电容,以便在允许的采样时间内在新电压下准确稳定。过去,宽带驱动放大器和RC滤波器结合使用解决了这个问题。典型的信号链如图1所示。

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图1。使用传统多路复用SAR ADC的信号链

传感器可以输出电压或电流,传感器接口电路可以分别是仪表放大器或互阻抗放大器。电容器通常为NP0/C0G型。因为其他类型的电容器会引起明显的失真。NP0容量线性度高,但密度低。选择性NP0电容也比ADC内部采样电容大得多。执行两个主要功能:

降低ADC采样电容器的后坐力

过滤所需稳定带宽以外的噪音,降低信号链的宽带噪音

在传统信号链中,每个通道都必须使用驱动放大器和大型电容器。每个驱动放大器的功耗在零点几毫安到几毫安之间。每个容量(包括间隙)可能会占用约1mm2的板面积。在多个通道中使用这些信号链,有助于减小系统大小和降低功耗。这是当今多路复用SAR ADC应用的主要问题之一。

:对于

什么是输入高阻技术?

模拟输入,高电阻技术是一套电路技术,不消耗静态或连续功率,大大提高ADC的有效输入阻抗。这使得驱动ADC的输入变得更加容易。

假设多路复用ADC正在从通道N-1转换,下一个通道是通道N。

从转换开始(CNV)的上升边缘采样通道电压。在图2中,CNV的第一次上升沿通道N-1的电压采样。然后,ADC转换通道N-1的采样电压。转换后,在输入高电阻被禁用的情况下,ADC将继续获取序列中的下一个通道,即通道N。通道N的电压通常与通道N-1的电压相差很大,在这种情况下,必须给ADC电容器充电,以达到通道N的电压水平。这将对通道N(深蓝色虚线)产生较大的电压冲击,并在采样时刻(CNV的第二个上升边缘)对通道电压产生较大误差。因此,吸收冲击需要更大的外部电容器,需要驱动放大器来提供所需的电荷。

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图2。高电阻功能启用和禁用时AD4696的相位

当输入高电阻处于活动状态时,ADC的内部采样电容器充电,达到收集通道的当前电压水平,然后开始实际电压采样。从通道N-1转换后,立即引入高电阻相位,将ADC采样电容器准确地充电到通道N的当前电压水平。也就是说,ADC采样电容在连接到外部输入时不提供电荷,也不会引起倒冲。实际上,由于内部开关的电荷注入(第一电荷冲击),通常会出现小的残余误差。这个小残留物误差几乎可以忽略频道N采样时刻的稳定误差。在高电阻被激活的情况下,这种电荷误差将显著改善系统的稳定动力学。

通道n的采样完成后,ADC必须继续转换。因此,内部开关将ADC的采样电容与外部输入分离。如果开关打开电荷注入,这可能导致第二次电荷冲击。一般来说,第二电荷冲击的稳定时间较长,因此第一电荷冲击的宽度决定了通道的稳定误差。因此,应尽可能减小第一次电荷冲击的幅度。

AD4696(下一代多路复用SAR ADC)将输入高电阻技术用作EasyDrive功能集的一部分。因此,在信道上开始电压采样时,AD4696非常稳定。每个通道不再需要半减震器和驱动放大器。这将大大减少系统大小和功耗,并大大简化信号链,如图3所示。

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图3。使用AD4696多路复用SAR ADC的信号链

在AD4696系列中实现输入高电阻的一个重要优点是,执行高电阻功能的电路可以根据转换速度循环。因此,高电阻功能的功耗与ADC的吞吐量成正比,就像核心SAR ADC本身一样。这与传统的刻板信号链设计相比,提供了相当大的灵活性。

AD4696的LTspice型号也内置输入高电阻功能。通过对一次和二次电荷冲击进行精确建模,可以可靠地模拟信号链设计中的稳定伪影。

:回顾

一些细节

,可以发现NP0电容器也提供了信号链的宽带噪声滤波器。要去除这个电容器,就要找到其他过滤噪音的方法。实现相同有效信号链噪声带宽的简单方法是增加外部串行电阻。AD4696有60pF的内部电容器,与240的常规内部电阻相关联。如果设置了外部电阻,则可以将信号链噪声带宽调整为大象值。

在没有NP0电容器的情况下,外电阻对信号链的噪声性能、线性度和精度起着重要作用。小电阻电阻有助于快速稳定采样电荷冲击,提高线性度和准确度,但有效的噪声带宽越高,总噪声越大。相反,较大的电阻电阻可以更好地过滤噪音,但线性和准确度会降低。

如以下部分所述,AD4696使用了高电阻技术,因为它可以在不降低线性度和精度的情况下使用大电阻电阻。支持信号链的所有参数优化,包括噪音、线性、精度、功耗和解决方案大小。

:以2K的外部电阻测量,不含

测量结果

NP0电容器。结果表明,在模拟输入高电阻启用的情况下,交流和直流性能得到了显着提高。在实验中,AD4696的核心ADC以1MSPS的速度运行,但作为轮询序列的一部分,选择了更多的通道。数据从一个通道收集,序列中另一个通道的输入电压为0V。

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图4。测试THD和序列中通道数之间的关系声音:1kHz、-1dBFS

图4显示了1kHz、-1dBFS信号音下相关信道的失真性能。如果在禁用高电阻的情况下对通道进行校准,采样电容器将无法充电到后续通道的电压水平,从而导致非线性稳定性错误。这可能会导致严重的扭曲。启用高电阻后,畸变性能得到了显着改善。

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图5.16位级LSB的直流稳定性错误

图5示出了具有或不具有高电阻功能的直流稳态设置错误。在此测试中,相关信道具有接近整个范围的输入值,序列中的其他信道驱动电压为0V。在相关通道转换过程中,将越来越多的通道添加到序列中,并绘制平均输出代码与预期代码的偏移。

如果核心ADC以低于1MSPS的吞吐量运行,用户可能需要进一步减少有效的信号链噪声带宽,以限制模拟前端噪声锯齿。这需要更高的阻力值,高阻力功能对于在这些条件下保持性能非常有用。

结论

AD4696系列使用输入高电阻技术(包括降低系统级功耗、减小尺寸和减少组件数量),同时保持高水平的AC性能和DC精度,为SAR应用程序的多路复用提供了巨大优势。这样,每个通道不再需要专用驱动放大器和后坐吸收电容器。高电阻功能本身的功耗与ADC的吞吐量成正比,为系统级设计提供了灵活性和通用性。AD4696的LTspice模型可用于在您要设计的所有系统中模拟电荷冲击的影响。

致谢

作者感谢Asif Ahmad、Peter Hurrell和Tyler Schmitt对本文件的贡献。

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关于ADI公司

analog devices,Inc. (Nasdaq: ADI)在现代数字经济的中心发挥着重要作用,通过多种模拟和混合信号、电源管理、RF、数字和检测技术,ADI将实际现象转化为行动的有意义洞察,面向世界各地12.5万名客户。ADI的总部设在马萨诸塞州威明顿。

关于作者

Sanjay Rajasekhar是ADI的电子测试和测量部门的高级模拟设计工程师。他于2008年加入ADI,获得印度NITK-Surathkal大学电子通信工程学士学位。他专注于高精度SAR和-型ADC产品。

Arvind Shankar是ADI班加罗尔印度过程控制转换器部门的员工设计评估工程师。他于2013年加入ADI,在印度戈雅邦维茨-菲拉尼大学获得电气电子工程学士和物理学硕士学位。

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