CTSD ADC系列之四：轻松驱动ADC输入和基准电压源，简化信号链设计
传统ADC的前端设计在本文中，"传感器"和"输入信号"可以互换使用，代表ADC信号链的任何类型的电压输入 。ADC信号链的输入信号可以是传感器、来自某些源的信号或控制回路的反馈 。众所周知，在传统的离散时间Sigma-Delta (DTSD) ADC和逐次逼近寄存器 (SAR) ADC中，输入和基准电压源处的采样网络是开关电容负载 。当开关导通时，电容给输入充电；当开关断开时，电容保持采样值 。在每个采样时钟边沿，当开关重新将电容连接到输入时，需要一个有限电流（称为反冲电流）来将电容充电或放电到新的采样值 。该电流的曲线如图1a所示 。大多数传感器和基准电压源IC无法驱动这种幅度的反冲电流，而如果直接与ADC接口，输入信号或基准电压源有很大可能遭到破坏 。避免这种破坏的已知解决方案之一是使用驱动缓冲放大器将输入传感器和基准电压源与ADC隔离开来 。驱动放大器应具有吸收这种反冲电流的能力，如图1b所示 。这导致需要高压摆率和高带宽放大器来支持所需的输入充电/放电电流，并使反冲在一个采样时间周期内稳定下来 。这些严格的要求限制了可用于传统ADC的输入和基准电压源路径的缓冲放大器的选择 。
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图1.(a) 传统ADC的输入和基准电压源上的反冲电流，(b) 通过缓冲器将反冲电流与输入和基准电压源隔离
另一方面，输入端需要低通抗混叠滤波器来确保高频噪声和干扰信号大幅衰减，使得当它们因为目标频段的采样而折回时，性能不会降低 。当前ADC信号链设计人员面临的挑战是要对相互对立的要求——混叠抑制和输出稳定——进行微调 。DTSD ADC的采用驱动器和抗混叠滤波器的前端设计如图2所示 。
输入路径由仪表放大器(in-amp)组成，仪表放大器将传感器与全差分放大器(FDA)接口，后者最终驱动ADC 。仪表放大器将输入传感器环境与ADC电路隔离开来 。例如，传感器的共模(CM)信号可能非常高（高达数十伏），但大多数FDA和ADC不支持这种高输入共模电压 。一般的仪表放大器有能力支持宽输入共模电压，同时提供适合于FDA和ADC的输出共模电压 。仪表放大器的另一个优点是其具有高输入阻抗 。这意味着如果传感器不能直接驱动FDA的输入电阻，那么传感器可以通过仪表放大器与FDA接口 。FDA本身需要具有高带宽和高压摆率，以使输出更快建立 。FDA周围需要构建有源抗混叠滤波器(AAF)，以便抑制干扰信号 。
对输入或基准电压源的驱动器的要求相互冲突：一方面，快速建立需要高带宽，但另一方面，噪声和干扰信号的滤波需要低带宽 。在基准电压源路径上，DTSD ADC信号链的前端设计如图2所示，基准电压源IC连接到一个缓冲器，后者驱动ADC的基准电压源负载 。设计中还有一个噪声滤波器，用以截断基准电压源IC和缓冲器的超出某一频率的噪声 。此滤波器的设计要求将在后文讨论 。基准电压源缓冲器具有高带宽和高压摆率要求，以便更快地平息采样事件干扰 。
本系列文章的第1部分已说明，使用精密CTSD ADC的新信号链可以比传统ADC的复杂信号链小68％ 。这种尺寸缩减可减少BOM，而且简单的设计有助于信号链设计人员加快产品上市 。
CTSD ADC的优势：正输入和基准电压源第2部分向信号链设计人员解释了CTSD ADC架构，即采用非常规方法来反转闭环放大器 。如第2部分所述，可以将CTSD ADC视为具有阻性输入和基准电压源负载的Sigma-Delta ADC 。输入和基准电压源结构是简单的阻性负载，这意味着没有高带宽或高压摆率驱动要求 。第3部分展示了CTSD的独特优势，其固有的混叠抑制能力可抗干扰 。在传统信号链设计中，需要外部混叠抑制滤波器来衰减干扰信号，这是一个额外的挑战，但CTSD ADC不需要外部AAF 。由于CTSD ADC的固有混叠抑制特性，调制器环路的信号转换函数等于衰减高频干扰的抗混叠滤波器的转换函数 。由于阻性输入和固有AAF，输入网络得以简化，传感器可以直接连接到ADC 。在传感器没有能力驱动这种阻性负载的情况下，可以使用仪表放大器来将传感器与ADC接口 。类似地，在基准电压源方面，由于阻性负载，CTSD ADC信号链中不需要基准电压源缓冲器 。图3b显示了使用仪表放大器的简化示意图 。
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图2.离散时间Sigma-Delta ADC的前端设计
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图3.(a) CTSD架构提供阻性输入和基准电压源负载，(b) 直接仪表放大器和基准电压源驱动CTSD ADC
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图4.(a) DTSD ADC的输入电流中的反冲，(b) CTSD ADC的连续输入电流曲线
图4显示了对CTSD ADC如何帮助简化输入前端设计的进一步支持 。对于DTSD ADC，当输入采样开关改变状态时，可以明显看到反冲导致的输入电流的不连续性 。对于CTSD ADC，可观察到输入电流是连续的，其保持了信号连续性 。
简化输入驱动设计我们已经证明，CTSD ADC的输入驱动是阻性的 。本节将说明在规划ADC的输入驱动时，如何确定输入阻抗RIN的值 。RIN是ADC额定噪声性能的函数 。例如，AD4134是一款精密CTSD ADC，具有108 dB的动态范围和4 V基准电压源，输入阻抗为6 kΩ差分 。这表明，当施加一个满量程8 V p-p差分输入信号时，峰值电流要求是1.3 mA p-p 。如果传感器可以支持输入电流VIN/RIN，则它可以与ADC直接接口 。需要一个简单放大器来驱动这种阻性负载的场景是：
1.传感器没有所需驱动能力来提供VIN/RIN的峰值电流 。
2.信号链设计要求为传感器输出提供增益或衰减 。
3.将输入传感器环境与ADC电路隔离开来 。
4.传感器具有很大输出阻抗 。
5.传感器远离ADC，轨道布线可能给输入端增加相当大的电阻 。
在场景4和5中，额外的外部电阻RS将存在电压降，该电压降表示ADC输入端有信号损失 。这导致信号链的增益误差和误差随温度的漂移，因而引起性能下降 。增益的温度漂移是由外部电阻和内阻的不同温度系数引起的 。使用一个简单放大器来隔离额外的外部电阻，可以解决此问题 。由于该放大器的驱动负载是阻性的，因此该放大器的选择标准是：
●输入阻抗：为避免信号衰减或损失，传感器的阻抗应与放大器输入阻抗匹配 。
●输出阻抗：输出阻抗应当足以驱动ADC的阻性输入负载 。
●输出类型：作为一般信号链设计指导原则，建议使用差分信号策略以获得最佳信号链性能 。差分输出类型放大器或单端转差分输出的设计技术最适合此任务 。另外，为了实现最佳性能，最好将该差分信号的共模设置为VREF/2 。
●可编程增益：输入信号一般要放大或衰减，以将其映射到ADC的满量程范围 。这是因为当使用ADC的满量程输入范围时，可以从ADC信号链获得最高性能 。
基于应用，该放大器可以是仪表放大器或FDA，也可以是两个单端运算放大器的组合——形成一个差分输出放大器 。没有高压摆率或高带宽的硬性要求，可根据应用需求从ADI公司广泛的放大器产品组合中选择一款来驱动此CTSD ADC 。此外，放大器性能参数一般用阻性负载来指定，这使得选择更加简单 。
例如，对于AD4134，一个具有可编程增益选项和全差分输出的性能兼容的仪表放大器选择是 LTC6373 。该仪表放大器为输入源提供高阻抗，可以轻松驱动差分6 kΩ阻抗，噪声和线性度性能与ADC相当 。通过其广泛的输入共模支持和可编程增益选项，任何具有宽范围信号幅度的传感器或输入信号都可以与ADC接口 。采用该直接仪表放大器驱动的输入前端设计的一个例子如图4所示 。
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