在多通道、多路復用數據采集系統中，增加每個ADC的通道數可改善系統的總體成本、面積和功耗效率。現代逐次逼近寄存器模數轉換器（SAR ADC）的高吞吐量和高能效使系統設計人員能夠實現比以往更高的通道密度。本文將介紹多路復用器輸出端的大規模開關瞬變引起的多路復用器輸入端的建立瞬變如何延長采集時間，從而有效地降低多通道數據采集系統的整體吞吐量。然后，它將重點討論設計權衡，以最大限度地縮短輸入建立時間，并提高數據吞吐量和系統效率。

什么是多通道DAQ，我們如何衡量多通道DAQ的性能？

多通道數據采集（DAQ）系統是一個完整的信號鏈子系統，與多個輸入（通常是傳感器）接口，其主要功能是將輸入端的模擬信號轉換為處理單元可以理解的數字數據。多通道DAQ系統的主要組件是模擬前端子系統（緩沖器、開關元件和信號調理模塊）、模數轉換器（ADC）和數字接口。對于高速、精密轉換器，開關元件（通常是多路復用器）放置在ADC驅動器和轉換器本身之前，以利用現代ADC的先進性能。SAR ADC是這些應用中最常用的ADC類型，因為它們結合了速度和精度。

圖1.典型的基于SAR ADC的多路復用數據采集系統框圖。

用于工業和醫療應用的高通道密度精密數據采集系統旨在將盡可能多的通道壓縮到盡可能小的區域。通常，多路復用DAQ系統可以通過以下方式實現高密度，高吞吐量和良好的能效：

使用高速精密SAR ADC

使用每通道的最小采樣率

在以下情況下，最大限度地提高SAR ADC轉換器利用率：

以 n 作為通道數。每個轉換器的多通道數據采集系統的總吞吐量由下式給出：

這表明，多通道DAQ系統的整體吞吐量不僅取決于SAR ADC的速度和分辨率，還取決于該轉換器的利用率。

延遲如何影響多通道DAQ系統的性能？

在存在任何結算延遲的情況下，項 td添加到ADC的實際采樣和轉換周期中，得到實際最大轉換器采樣速率，由下式給出：

其中T模數轉換器是每個樣本的ADC周期（通常在大多數ADC數據手冊中找到，更常見的是SAR ADC采樣速率的倒數，以秒為單位）。對于非零延遲t，多通道DAQ系統的實際最大采樣率始終小于轉換器的采樣率d，導致轉換器利用率始終低于 100%。由此我們可以看出，添加到采樣和轉換周期的任何延遲都會降低轉換器利用率。當與總吞吐量的早期表達式相關時，這有效地減少了多通道DAQ可以容納的最大通道數?？偠灾?，任何建立延遲都會降低多通道DAQ系統的通道密度和/或整體吞吐量。

現在，多路復用器輸入開關毛刺和輸入建立時間是多少？

當多路復用器從一個輸入切換到另一個輸入時，輸出仍然具有先前輸入通道的存儲器，其形式是輸出負載電容和多路復用器的寄生漏極電容中存儲的電荷。對于ADC驅動器和ADC本身等高容性負載，這一點更為明顯，因為這些存儲的電荷沒有低阻抗路徑。您甚至可以說，由于現代多路復用器的先開后合（BBM）機制，輸出的電容性質和高阻抗而捕獲了這些電荷;它們只有在切換到下一個輸入后才能放電。

圖2.開關前狀態（左），開關后發生電荷共享，迅速導致電壓降?V（右）。

開關后，輸入電容C一個將并聯連接到輸出電容C外.C一個和 C外，但是，最初可能處于不同的電位，這將導致C之間的電荷共享一個和 C外.對于帶寬非常高的多路復用器，電荷共享幾乎是瞬間發生的，導致多路復用器輸入出現高頻毛刺。此毛刺的幅度 ?V 由下式給出：

其中 ?VC是開關前電容器電壓的差異。多路復用器輸入側發生的瞬態毛刺是一種通常稱為反沖的現象，對于具有高容性負載的開關應用（如ADC、容性DAC和采樣電路等）更為普遍。MT-088 中簡要說明了此主題。毛刺必須建立到輸出的1 LSB以內才能為轉換器產生有效數據，輸入建立到1 LSB以內（并保持在該范圍內?。┧璧臅r間是輸入建立時間（tS).tS是延遲 t 的一個組成部分d前面描述過，它可能對這個術語有最重要的貢獻。

當ADC沒有現在那么快時，這些毛刺及其各自的輸入建立時間微不足道，不容忽視。然而，隨著ADC速度的調整，轉換器采樣周期越來越短，接近輸入建立時間的順序。如前所述，當ADC周期為T模數轉換器，等于輸入建立時間tS（并且有效地d），轉換器利用率大大降低至50%。這意味著我們只使用了轉換器能力的一半！重申其重要性，輸入建立時間應開始與精密轉換器當前技術的速度成比例，為提高多通道DAQ系統的性能鋪平道路。

如何最小化輸入建立時間？

通常在緩沖放大器和多路復用器之間使用RC濾波器（參見CN-0292），稱為緩沖器網絡，從而將開關毛刺降至最低。圖3描述了用于2通道多路復用模擬前端子系統的信號鏈子系統及其相應的開關時序圖。

圖3.用于多通道DAQ系統的2通道多路復用模擬前端子系統以及相應的時序圖。

假設多路復用器相對于放大器和緩沖器RC具有非常高的帶寬，則以緩沖RC為主導極點，輸入毛刺和建立瞬態可以近似為具有一階（指數）響應。為了進一步剖析輸入毛刺，圖4詳細說明了輸入毛刺瞬態響應。

圖4.剖析開關期間的多路復用器輸入毛刺：時序定義和設計目標。

對于一階假設，誤差表達式 V錯誤，是相對于時間的遞減指數函數。V 的初始值（切換時的值）錯誤是毛刺幅度 ?V，并且會以取決于緩沖器 RC 值的速率衰減。V 所需的時間錯誤建立到1 LSB以內定義為輸入建立時間。

另一方面，轉換器的采樣周期為 tACQ（也稱為采集時間）。在ADC轉換階段，當tACQ經過后，轉換器將量化可用的任何采樣數據。如果 V錯誤消退速度太慢，以至于沒有穩定到某個值（1 LSB 到幾個 LSB）。這將導致電流樣本被先前的模擬輸入損壞，并導致ADC通道之間的串擾?？紤]到輸入建立時間，必須確保輸入建立時間小于轉換器采集時間，以盡量減少誤差。此外，進一步最小化S為使用更快的轉換器來提高系統的整體吞吐量和密度提供了機會。

通過我們庫中的一些數學運算，最快輸入建立時間的表達式可以在最壞情況下推導出 ?VC是滿量程輸入范圍和V錯誤達到至少 1 LSB（多路復用器輸出在目標電平的 1 LSB 以內）。多通道DAQ系統設計人員將有兩個設計旋鈕：緩沖時間常數和C一個/C外比率，從而得到輸入建立時間的表達式：

這里我們可以看到，輸入建立時間是緩沖器時間常數τ的線性函數，η V所需的時間常數錯誤穩定在 1 LSB 以內。減少輸入建立時間的最直接方法是使用低時間常數緩沖器網絡，這是有意義的，因為更快的（高帶寬）緩沖器網絡將導致較低的時間常數。然而，這種方法將呈現一組涉及噪聲和負載的不同權衡。或者，我們可以最小化術語η以獲得類似的結果。

η是緩沖電容器之比（C一個） 到輸出電容 （C外).如果 1 LSB 等于滿量程輸入范圍除以 2，提高到位數 （N） 減去 1，然后 ?VC等于最壞情況下的滿量程輸入范圍。

等式 6 可能不是那么直觀，而且很難可視化，因此最好用 10 位、14 位、18 位和 20 位分辨率的半對數圖來說明它，如圖 5 所示。

圖5.穩定為 1 LSB 所需時間常數的圖表。

可以看出，更高的C一個/C外值導致建立時間縮短;甚至可以達到極高電容器比率的零建立時間。由于 C外本質上是多路復用器的漏極電容和后續級的輸入電容，只有C一個仍然是更通用的自由度。10位分辨率的零建立時間需要C一個至少比 C 大 1000×外比 C 大 1，000，000×外適用于 20 位系統！相比之下，對于10位和20位系統，100 pF的典型負載分別需要100 nF和100 μF的緩沖電容，以實現零建立時間。

總之，可以通過兩種方法實現輸入建立時間的最小化：

為緩沖器網絡使用高帶寬

使用高值的 C一個關于 C外

高帶寬和大緩沖電容可最大限度地縮短輸入建立時間，因此我們只使用最高帶寬和最大電容

不！您必須考慮RC負載效應和放大器的驅動能力！為了研究緩沖器網絡對緩沖放大器的負載影響，應在頻域中分析模擬前端子系統。

由于我們建立在輸入毛刺的一階響應的思想之上，因此緩沖器網絡極點應該是最主要的貢獻者。換句話說，緩沖器帶寬應小于緩沖放大器和多路復用器，以避免多個極點相互作用，從而確保一階近似保持。

圖6.緩沖器和緩沖器等效電路（左）以及放大器和緩沖器的等效阻抗（右）。

典型的緩沖器架構由一個采用緩沖器（G = 1）配置的精密放大器組成，與緩沖器網絡級聯。在頻域分析中，該子系統的輸出取決于緩沖器輸入阻抗與緩沖器輸入阻抗和放大器閉環輸出阻抗之和的比值。通過檢查，緩沖器輸入阻抗應大于放大器的閉環阻抗，以避免負載效應，如公式7所述。

也就是說，為了避免緩沖器網絡加載緩沖放大器，我們應該：

增加緩沖時間常數，R一個C一個，有效降低帶寬

使用小型緩沖電容器C一個

選擇具有極低閉環輸出阻抗的放大器

前兩個選項讓我們清楚地了解加載效應和輸入建立時間之間的權衡。這限制了緩沖器帶寬和電容器的高度。第三個選項引入了在選擇合適的精密放大器時應考慮的性能參數。還應考慮穩定性和駕駛能力。

圖7顯示，對于具有足夠帶寬的精密放大器（例如閉環帶寬約為970 kHz的–3 dB閉環帶寬的ADA4096-2），結果與目前提出的分析結果一致，但少數波形除外。對于 10 kHz 的緩沖器帶寬，最大 C一個導致最快的輸入建立時間。而對于 200 kHz 的緩沖器帶寬，增加 C一個在加載生效之前，仍會導致更快的建立時間。從結果中看到的欠阻尼響應具有最小的毛刺幅度，但建立時間比較小的C的響應長一個，盡管毛刺幅度更大。這強調了仔細研究緩沖器如何加載放大器的重要性，因為在為系統選擇組件時應始終考慮到這一點。

圖7.多路復用器輸入，緩沖帶寬為10 kHz（頂部）和200 kHz（底部），適用于ADA4096-2放大器型號。

如前所述，一個需要考慮的放大器參數是閉環輸出阻抗。運算放大器的閉環阻抗通常與其開環增益A成反比V.我們還希望緩沖器網絡具有高帶寬，以最短的建立時間，要求放大器具有–3 dB帶寬，甚至大于緩沖器帶寬。除了 低 噪聲、 失調 和 失調 漂 距 之外， 最 適合 用于 多路 復 用 DAQ 系統 的 最 短 輸入 建立 時間 的 精密 放大器 還 具有 兩個 優先 屬性： 1） 具有 高 帶 寬 和 2） 具有 非常低 的 閉 環 阻抗。然而，這些并非沒有權衡，它們以功耗的形式出現。例如，我們可以查看ADA4096-2和ADA4522-2的閉環阻抗，如圖8所示。

圖 8a.ADA4522-2閉環阻抗的數據手冊圖

圖 8b.ADA4096-2閉環阻抗的數據手冊圖。

從數據手冊中的閉環輸出阻抗圖以及ADA4522-2的–3 dB閉環帶寬為6 MHz（標稱值）可以看出，它是更適合該應用的驅動器。但是，當優先考慮功耗時，每個放大器電源電流為60 μA（典型值）的ADA4096-2比ADA4522-2的每個放大器830 μA（典型值）更具吸引力。盡管如此，兩種精密放大器都可以使用;這一切都歸結為應用程序真正需要什么。

結論

好吧，那么我們能做的最好的事情是什么？

為了最大限度地提高多通道DAQ系統的密度和吞吐量，輸入建立時間應小于或等于ADC采集時間。任何 額外 的 延遲 都會 降低 多 通道 DAQ 系統 的 性能。最小化輸入建立時間涉及增加緩沖器的帶寬和電容，但由于頻域中的負載效應，在選擇元件值時必須小心。最后，選擇最合適的精密放大器需要在功率、閉環輸出阻抗和–3 dB帶寬之間進行權衡，優先考慮應用的實際需求。

審核編輯：郭婷