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今天的模擬系統設計工程師面臨許多設計挑戰，他們不僅需要選擇正確的IC元件，還必須準確地預測這些元件在系統內的相互影響。從這點來看，模數轉換器的設計是一個巨大挑戰，因為它具有必須在系統級加以考慮的各種不同的輸入采樣結構。本文將探討幾種通用的輸入采樣結構，并討論每種結構對系統其它部分的影響。 在如今許多 CMOS模數轉換器中，常用的解決方法是采用開關電容器結構實現輸入采樣。這種輸入結構的最基本形式由相對較小的電容器和模擬開關組成，如圖1所示。 當開關設在位置1時，采樣電容器被充電至采樣節點的電壓(在該例中為VS)，然后開關切換至位置2，此時采樣電容器上累積的電荷被轉移至采樣電路的其它部分。這一過程不斷反復。 上述不帶緩沖器的開關電容器輸入可引起嚴重的系統級問題。例如，將采樣電容器充電到適當電壓所需的電流必須由連接到模數轉換器輸入端的外部電路提供。當電容器切換到采樣節點(圖1中的開關位置1)時，對電容器進行充電需要大電流。這一瞬態電流的大小是采樣電容器容值、電容開關頻率和采樣節點電壓的函數。 這個開關電流由下式表示： Iin=CVf 其中，C為采樣電容器的電容值，V為采樣節點上的電壓(本例中用VS表示)，f為采樣開關進行開關操作的頻率。這個開關電流會在采樣節點產生較高的電流尖峰(圖1)。 當設計模數轉換器前端的模擬電路時，必須考慮這個開關電流的影響。由于該電流可以通過任何電阻，所以將產生壓降，在模數轉換器的采樣節點處產生電壓誤差。如果轉換器的輸入端有高阻抗傳感器或高阻抗濾波器相連，那么這個誤差將非常大。 例如，假設電阻器被放置在模數轉換器的前端，以隔離傳感器并增強靜電放電( ESD)保護功能(圖2)。在本例中，采樣電容器的容值為10pF，開關頻率為1MHz。利用上式計算可得，瞬態電流約為25?A。當這個瞬態電流通過10k?的電阻器時，采樣節點上將會產生250mV的電壓誤差。由于采樣節點可能被安排在下一個采樣周期之前，因此這是最差情況下的近似值。該建立時間取決于由10kΩ電阻器和采樣電容器構成的RC時間常數，以及模數轉換器輸入端的寄生電容。寄生電容可能是由模數轉換器的導線、電路板上的走線長度以及內部MOS開關電容造成的。此外，可能需要一個外部緩沖器電路來提供必需電流，并確保采樣節點能被正確設置，從而保持轉換器的線性特性。 不過，當開關頻率更高時，放大器輸出阻抗將增大，因此必須仔細選擇放大器和相關電路才能解決瞬態開關電流問題。 為盡可能減小外部電路的瞬態電流要求，可以設置一個內部緩沖器(圖3)。在這個實現方案中，模擬開關構成三種不同的狀態。在位置1處，采樣電容器被快速充電至采樣節點電壓(在本例中為VS)加上(或減去)緩沖器偏差(VOS)。在這一階段，對電容器充電所需的瞬態電流由內部緩沖器電路提供。內部緩沖器可被優化設計，以便在所要求的開關頻率下提供低阻抗輸出，利用該開關頻率可在指定時間對電容器進行正確充電。然后，開關被重新配置，在圖3位置2處形成連接。在此階段，采樣電容器直接與模數轉換器的采樣節點相連。 接著，采樣電容器被充電或放電，以便電容器電壓與采樣節點上的電壓相等。此時可能仍然存在少量開關電流，但外部電路所需的電流將減少，這是由于電容器電壓已經被充電至內部緩沖器的偏置電壓范圍內。最后，模擬開關切換到位置3處，此時采樣后的電壓可被傳送至采樣電路的其余部分。帶緩沖器的開關電容器輸入能夠大幅降低模數轉換器外部電路的瞬態電流，這是它的優點之一。在前一個例子中，采樣電容器的容值為10pF，開關頻率為1MHz。假設內部緩沖器的電壓偏置為10mV，這將產生僅100nA的瞬態電流，該數值比不帶緩沖的采樣輸入的瞬態電流小250倍。 在某些情況下，一個固定或可編程增益放大器被集成到模數轉換器前端的同一個硅片中，這個放大器不僅有助于減小必須由外部電路提供的開關電流，而且還能對模擬信號進行放大。另外，還可以設置一個斬波穩定放大器來減小1/f噪聲，這種噪聲有時也被稱為“閃爍噪聲”。這種低頻噪聲是由處理工藝固有的MOS晶體管通道中的表面態引起的。斬波可以消除1/f噪聲，并減小外部電流要求。不過，由于MOS開關不匹配，電路中仍將存在少量輸入瞬態電流。 無論采用何種采樣架構，模數轉換器都必須實現某種形式的ESD保護。對于CMOS方案來說，通常采用箝位二極管進行ESD保護，如圖4所示。箝位二極管可有效限制加在轉換器內部晶體管上的電壓。如果輸入電壓與電源軌之差超過了二極管壓降(通常為0.7V)，則二極管將開始傳導電流并限制電壓。但是，箝位二極管同樣會出現電流泄漏，在設計模擬輸入電路時必須考慮這個問題。盡管這個泄漏電流通常都較小，也許只有幾皮安培，但該電流會隨著溫度升高而按比例大幅增加。 隨著模數轉換器的持續發展，系統設計工程師能充分理解所采用的輸入結構以及這種結構對外部電路的影響已經變得越來越重要。本文對一個簡單的開關電容器輸入結構進行了探討。開關電流要求可顯著影響系統的總體性能，而外部電路必須進行相應設計。一個集成的緩沖器或放大器可以大幅減小開關電流，從而簡化模數轉換器外部的電路設計。ESD保護電路也將會影響外部電流要求，并且隨著溫度變化對電流的影響也不一樣。 |
