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SAR模数转换器的前端器件设计探究

2013-10-23 10:54
铁马老言
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  多路复用 输入信号很少是连续的,通常由不同通道切换产生的大阶跃组成。最差情况下,一个通道处于负满量程,而下一个通道则处于正满量程(见图4)。这种情况下,当多路复用器切换通道时,阶跃大小将是ADC的满量程,对于上例而言是5 V.

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图4. 多路复用设置

  在上例中使用多路复用输入时,线性响应所需的滤波器带宽将提高到3.93 MHz(此时阶跃大小为5 V,而非单通道时的1.115 V)。假设条件如下:多路复用器在转换开始后不久即切换(图5),放大器和RC正向建立时间足以使输入电容在采集开始前稳定下来。

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图5. 多路复用时序

  对于计算得到的RC带宽,可以利用表1进行检查。从表中可知,要使满量程阶跃建立至16位,需要11个时间常数(如表1)。对于计算的RC,滤波器的正向建立时间为11 × 40.49 ns = 445 ns,远少于转换时间710 ns.正向建立不需要全部发生在转换期间(容性DAC切换到输入端之前),但正向和反向建立时间之和不应超过所需的吞吐速率。对于低频输入,信号的变化率低得多,因此正向建立并不十分重要。

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表1. 建立至N位分辨率所需的时间常数数目

  计算出滤波器近似带宽后,就可以分别选择 REXT 和 CEXT 的值。上述计算假设 CEXT = 2.7 nF,这是数据手册所示应用电路的典型值。如果选择较大的电容,则当容性DAC切换回输入端时,对反冲的衰减幅度会更大。然而,电容越大,驱动放大器就越有可能变得不稳定,特别是给定带宽下 REXT 值较小时。如果 REXT 值太小,放大器相位裕量会降低,可能导致放大器输出发生响铃振荡或变得不稳定。对于串联 REXT较小的负载,应采用低输出阻抗的放大器来驱动。可以利用RC组合和放大器的波特图执行稳定性分析,以便验证相位裕量是否充足。最好选择1 nF至3 nF的电容值和合理的电阻值,以使驱动放大器保持稳定。此外务必使用低电压系数的电容,如NP0型,以保持低失真。

  REXT 的值必须能使失真水平保持在要求的范围以内。图6显示了驱动电路电阻对失真的影响与 AD7690输入频率的函数关系。失真随着输入频率和源电阻的提高而提高。导致这种失真的原因主要是容性DAC提供的阻抗的非线性特性。

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图6. 源电阻对THD的影响与输入频率的关系

  低输入频率(<10 kHz)可以支持较大的串联电阻值。失真还与输入信号幅度有关;对于同一失真水平,较低的幅度可以支持较高的电阻值。计算上例中的 REXT :τ = 51.16 ns,假设 CEXT 为2.7 nF,得到电阻值为18.9 Ω。这些值接近ADI数据手册应用部分给出的常见值。

  此处计算的标称RC值是有用的指南,但不是最终解决方案。选择 REXT 与 CEXT 之间的适当平衡点,需要了解输入频率范围、放大器可以驱动多大的电容以及可接受的失真水平。为了优化RC值,必须利用实际的硬件进行试验,从而实现最佳性能。

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