當(dāng)今的模擬系統(tǒng)設(shè)計人員面臨許多設(shè)計挑戰(zhàn)。他們不僅需要選擇合適的集成電路(IC)器件，還必須準確地預(yù)測這些元器件在系統(tǒng)內(nèi)的相互影響。由此看來， 模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計是一項艱巨的挑戰(zhàn)，因為必須在系統(tǒng)級考慮各種不同的輸入采樣結(jié)構(gòu)，并做出正確的選擇。本文將探討幾種通用的輸入采樣結(jié)構(gòu)，并討論每種結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)其他部分的影響。
輸入采樣基本電路結(jié)構(gòu)
隨著數(shù)字化的普及和技術(shù)的發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用無處不見。在目前使用的眾多 CMOS A/D轉(zhuǎn)換器中，一種常用解決方案是使用 開關(guān)電容結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輸入采樣。在這種最基本的結(jié)構(gòu)中，輸入部分由一只體積相對較小的電容器和一個模擬開關(guān)組成，如圖1所示。
當(dāng)開關(guān)設(shè)在位置1時，進入采樣過程，采樣電容器被充電至采樣節(jié)點的電壓(在此例中為VS)。然后,開關(guān)被切換至位置2，轉(zhuǎn)換到放電過程，此時采樣電容器上累積的電荷被放電或轉(zhuǎn)移至采樣電路的其他電路上。充電，然后放電，再充電，再放電，這一過程周而復(fù)始。
上述電路結(jié)構(gòu)中，沒有使用緩沖器，而是直接利用開關(guān)電容器輸入，這樣會引起嚴重的系統(tǒng)級問題。因為在采樣過程中，將采樣電容器充電到采樣點電壓所需的電流必須由連接到A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的外部電路來提供。當(dāng)電容器切換到采樣節(jié)點(圖1中的開關(guān)位置1)時，需要大電流對電容器進行快速充電。實際上，這一瞬態(tài)電流的大小是采樣電容器容值、電容開關(guān)頻率和采樣節(jié)點電壓的函數(shù)。
該開關(guān)電流由下式表示：
iin = CVf
其中，C為采樣電容器的電容值，V為采樣節(jié)點上的電壓(此例中為VS)，而f為采樣開關(guān)的開關(guān)切換頻率。這個開關(guān)電流會在采樣節(jié)點產(chǎn)生較高的電流過沖峰值(如圖1所示)。
圖1 簡單的開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)
在對A/D轉(zhuǎn)換器的前端模擬電路進行設(shè)計時，必須考慮這一開關(guān)電流所帶來的不良影響。當(dāng)該電流流經(jīng)任何電阻時，都會產(chǎn)生壓降，從而在A/D轉(zhuǎn)換器的采樣節(jié)點處產(chǎn)生電壓誤差。如果轉(zhuǎn)換器的輸入端連接有高阻抗傳感器或高阻抗濾波器，那么誤差將變得很大。
為了進行詳細的說明，引用一個例子，如圖2所示。該例中假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的前端加有一個阻值為10kΩ的電阻，來隔離傳感器并改善靜電放電(ESD)保護功能。
圖2：帶串聯(lián)電阻的無緩沖開關(guān)電容輸入
此例中采樣電容器為10 pF，開關(guān)頻率為1 MHz。根據(jù)上式，瞬態(tài)電流約為25 µA。當(dāng)這個瞬態(tài)電流通過輸入端串聯(lián)的10 kΩ電阻時，采樣節(jié)點上將會產(chǎn)生250 mV的電壓誤差。由于采樣點可能在下一個采樣周期之前達到穩(wěn)定，因此這是最差情況下的估算值。具體的充電環(huán)路的建立時間取決于10 kΩ電阻器和采樣電容以及A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的寄生電容所構(gòu)成的RC時間常數(shù)。寄生電容來自于A/D轉(zhuǎn)換器的連接導(dǎo)線、電路板走線長度以及內(nèi)部MOS開關(guān)電容等。此外，可能需要外部緩沖器電路提供必需的電流，并確保采樣點得到正確設(shè)置以保持線性。然而，在更高開關(guān)頻率下，放大器輸出阻抗會增大。因此必須仔細選擇放大器和相關(guān)電路才能解決瞬態(tài)開關(guān)電流問題。
輸入采樣改進電路結(jié)構(gòu)
為盡可能減小外部電路所必須提供的大充電電流，以及因為開關(guān)高速切換所導(dǎo)致的瞬態(tài)電流過沖對系統(tǒng)帶來的不利影響，對圖1所示的基本電路結(jié)構(gòu)進行了改進，具體改進電路如圖3所示。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，改進后的電路在采樣電容之前加入了一個內(nèi)部緩沖器。
圖3：帶緩沖的開關(guān)電容輸入
加入內(nèi)部緩沖器后，模擬開關(guān)可組合成三種不同的狀態(tài)。在位置1處，采樣電容器被快速充電至采樣節(jié)點電壓(VS)加上或減去(具體視偏差電壓的極性而定)緩沖器電壓偏差(VOS)。在此階段，電容器充電所需的瞬態(tài)電流不再由外部電路提供，而是由內(nèi)部緩沖器電路提供。對內(nèi)部緩沖器進行優(yōu)化設(shè)計，可使其在所要求的開關(guān)頻率下提供低輸出阻抗，以便在指定的充電時間內(nèi)給電容正確地充電。然后，重新設(shè)置開關(guān)，使其連接到圖3中的位置2處。此階段采樣電容器直接連接到A/D轉(zhuǎn)換器的采樣節(jié)點。接著，采樣電容器被充電或放電，以便電容器電壓與采樣節(jié)點電壓相等。這時可能仍然存在少量開關(guān)電流，但所需的外部電路電流較小，因為電容器電壓已經(jīng)被充電至內(nèi)部緩沖器的偏置電壓范圍內(nèi)。這種方案的關(guān)鍵是，必須精確計算開關(guān)被設(shè)置到位置1處的預(yù)充電時間，以避免該充電時間過長，從而造成過充電進而對輸入端的外電路反向放電。
最后，模擬開關(guān)切換到位置3，將采樣后的電壓傳送至采樣電路的其余部分。這一階段與圖1所示的基本結(jié)構(gòu)完全一樣。
通過比較發(fā)現(xiàn)，帶緩沖電路的開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能夠大幅減少對A/D轉(zhuǎn)換器外部電路所需提供的瞬態(tài)電流。前面的例子中采樣電容器為10 pF，開關(guān)頻率為1 MHz。假設(shè)內(nèi)部緩沖器電壓偏置為10 mV，通過合理控制預(yù)充電的時間后，最終在與外電路相關(guān)的充電階段所產(chǎn)生的瞬態(tài)電流僅100 nA，比不帶緩沖的采樣輸入瞬態(tài)電流小250倍。
輸入緩沖器的進一步優(yōu)化
有些情況下，可將一個固定或可編程增益放大器集成到A/D轉(zhuǎn)換器前端的器件中。集成的放大器不僅有助于減小必須由外部電路提供的開關(guān)電流，而且還能對模擬信號進行放大。此外，還可采用一個斬波穩(wěn)定放大器來減小1/f噪聲，即所謂的“閃爍噪聲”。這種低頻噪聲是生產(chǎn)工藝固有的MOS晶體管通道表面狀態(tài)引起的。斬波可以消除1/f噪聲，并減小外部電流要求。然而，由于MOS開關(guān)的不匹配，電路中仍將存在少量輸入瞬態(tài)電流。
無論是何種采樣結(jié)構(gòu)，A/D轉(zhuǎn)換器都必須采取 ESD保護。對于CMOS方案來說，一般采用鉗位二極管提供ESD保護，如圖4所示。鉗位二極管可有效限制加在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部晶體管上的電壓。如果輸入電壓與電源軌的差值超過二極管壓降(通常為0.7V)，則二極管將導(dǎo)通，從而起到限制電壓的作用。但鉗位二極管同樣會出現(xiàn)電流泄漏，在設(shè)計模擬輸入電路時必須考慮這個問題。盡管這一泄漏電流通常較小，也許只有幾皮安，但該電流會隨著溫度升高而大幅增加。
圖4：CMOS ESD保護
結(jié)論
隨著A/D轉(zhuǎn)換器的不斷發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計人員充分理解所采用的輸入結(jié)構(gòu)以及這種結(jié)構(gòu)對外部電路的影響變得越來越重要。本文討論了一個簡單的開關(guān)電容輸入結(jié)構(gòu)。開關(guān)電流要求會對系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生巨大影響，因此必須合理設(shè)計外部電路。集成的緩沖器或放大器可大幅減小開關(guān)電流，簡化A/D轉(zhuǎn)換器外部電路設(shè)計。ESD保護電路也會影響外部電流要求，并且其影響隨溫度會有很大的變化。