隨著傳感器在各種終端市場中變得越來越豐富，對包括模數轉換器 （ADC） 在內的模擬信號調理的需求持續增長。整個傳感器市場預計將以超過 9% 的年復合增長率增長。終端市場包括各種物聯網 （IoT） 應用、工廠自動化和控制、公共衛生和安全、醫療保健和汽車領域的擴展。對于 ADC，市場趨勢是向更高分辨率、更高速度的設備發展，因為此類解決方案的成本變得更實惠。

顧名思義，ADC 驅動器是專門設計用于與 ADC 一起工作的專用放大器，包括逐次逼近、流水線和基于 delta-sigma 的架構。這些專用放大器是使 ADC 充分發揮功能的關鍵電路組件，并且隨著更高速、更高分辨率轉換器的擴展而變得更加重要。

了解 ADC 輸入

在討論 ADC 驅動器所需的技術功能之前，簡要概述當今 ADC 的輸入架構會很有幫助。差分信號可以定義為兩個節點在一個固定點附近具有相等但相反的信號，稱為共模電平。如圖 1所示，這兩個信號節點通常被稱為正和負——或同相和反相。

圖 1這是差分正弦波的樣子。資料來源：微芯片

在上述示例中，滿量程輸入電壓為 5 V 峰峰值差分，每條腿擺幅為 2.5 V 峰峰值。此示例中的共模電平為 2.5 V。當今大多數高性能 ADC 都采用差分輸入架構，因為它提供了優于單端輸入的性能。這些性能優勢包括抑制共模噪聲和常見干擾信號的能力以及 6 dB（或 2 倍）的動態范圍增加。

ADC 可能會給系統設計人員帶來特別艱巨的挑戰，因為它提供了必須在系統級考慮的各種不同的輸入采樣架構。出于本次討論的目的，重點將放在使用開關電容結構來完成輸入采樣的 ADC 上。這種輸入結構最基本的形式是由一個相對較小的電容和一個模擬開關組成，如圖 2所示。

圖 2一個簡單的開關電容輸入結構用于輸入采樣。資料來源：微芯片

當開關配置在位置 1 時，采樣電容器被充電到采樣節點的電壓，在這種情況下為 V S。然后開關翻轉到位置 2，采樣電容器上的累積電荷隨后被轉移到采樣電路的其余部分。然后該過程重新開始。

無緩沖的開關電容輸入，如上文所述，可能會導致嚴重的系統級問題。將采樣電容器充電至適當電壓所需的電流必須由連接到 ADC 輸入的外部電路提供。當電容器切換到采樣節點（圖 2 中的開關位置 1）時，將需要大量電流來開始對電容器充電。該瞬時電流的大小是采樣電容器的大小、電容器切換的頻率以及采樣節點上的電壓的函數。這個開關電流可以用下面的公式來描述：

其中C是采樣電容器的電容，V是采樣節點上的電壓（在本示例中表示為 V S），f是采樣開關打開和關閉的頻率。如圖 2 所示，此開關電流會在采樣節點上產生高電流尖峰。

在設計 ADC 前面的模擬電路時，必須考慮這種開關電流的影響。當輸入電流通過任何電阻時，都會出現電壓降，從而導致 ADC 的采樣節點出現電壓誤差。如果輸入節點在下一個采樣周期之前沒有完全穩定，也會發生失真。

解決方案：ADC 驅動程序

保持所需的傳感器信號完整性以充分利用這些更高分辨率、更高速度的 ADC 變得非常具有挑戰性。隨著 ADC 的分辨率和速度增加，傳感器信號的噪聲和失真影響變得更加明顯。在更高的 ADC 采樣速度下，必須注意確保輸入信號在采樣事件之前已經穩定，并且更高帶寬的信號不會混疊回感興趣的信號帶寬。

為了克服這些信號調節挑戰，許多 ADC 應用需要一個 ADC 驅動器，以提供足夠的穩定和抗混疊。如上所述，大多數現代 ADC 都采用差分輸入架構。ADC 驅動器的主要功能之一是提供輸入信號的單端到差分轉換，盡管它們也可以輕松處理差分輸入信號。

ADC 驅動器的另一個功能是緩沖輸入信號，從而將其余電路與 ADC 輸入節點上的電荷注入隔離開來。ADC 驅動器提供瞬時充電，以確保采樣節點在跟蹤時間內穩定，從而最大限度地減少與穩定相關的任何失真。必須注意 ADC 驅動器和轉換器的板級布局，以確保從驅動器輸出到 ADC 輸入的走線電阻最小。

大多數 ADC 驅動放大器還提供一個硬件引腳，使用戶能夠對共模電壓進行電平轉換。此功能非常適合確保生成的差分信號位于 ADC 的輸入電壓范圍內，從而最大化動態范圍。隨著工作電壓繼續趨于降低，動態范圍對于確保輸入信號的全分辨率變得更加關鍵。

最后，與大多數放大器組件類似，ADC 驅動器可以提供輸入信號的放大以及有源濾波。應該注意的是，大多數 ADC 驅動器的增益都相對較低，通常只有 1 或 2 V/V 的增益。通過保持放大器的低閉環增益，可以最大化環路增益，從而實現最低失真。例如，如果一個放大器的開環增益為 100 dB，并且配置為 200 或 46 dB 的閉環增益，則只留下 54 dB 的開環增益裕度來確保線性度，或者大約是其中的一部分在 500 中。因此，通常在靠近信號源的位置設置一個單獨的增益級，以最大限度地提高信噪比。

充分利用 ADC

傳感器在各種終端市場中的普及使人們更加關注信號調理電路。隨著高分辨率和高速 ADC 的成本不斷降低，實現這種性能改進變得更具挑戰性。

為了充分利用您的數據轉換器，ADC 驅動器對于優化性能至關重要，同時為源信號添加可忽略不計的失真、噪聲和建立時間誤差。MCP6D11差分驅動器等專用器件專為最大限度提高高速、高分辨率 ADC 的性能而設計。

Kevin Tretter 是 Microchip Technology Inc. MSLD 業務部門的高級產品營銷經理。