什么是模數轉換器驅動器，為什么需要它？

顧名思義，模數轉換器（ADC）驅動器是專門設計用于與ADC配合使用的專用放大器，包括逐次逼近、流水線和基于Δ-Σ的架構。這些專用放大器是使ADC能夠全性能工作的關鍵電路元件，將在下一節中探討。隨著傳感器在各種終端市場中變得越來越豐富，對模擬信號調理（包括ADC）的需求持續增長。這些終端市場包括：

通信

醫療

消費者

工業

汽車

對于ADC，市場趨勢是更高分辨率和更高速的器件，因為此類解決方案的成本變得更加實惠。

了解 ADC 輸入

在討論ADC驅動器所需的技術功能之前，需要簡要概述當今ADC的輸入架構。差分信號可以定義為兩個節點，它們在一個固定點（共模電平）周圍具有相等但相反的信號。兩個信號節點通常稱為正負（同相和反相），如圖1所示。

在上例中，滿量程輸入電壓峰峰值差分為5V，每個橋臂峰峰值擺動2.5V。本例中的共模電平為2.5V。當今大多數高性能ADC都采用差分輸入架構，因為它提供了卓越的性能（相對于單端輸入）。這些性能優勢包括能夠抑制共模噪聲和共模干擾信號，以及動態范圍增加6 dB（或2倍）。

ADC可能會給系統設計人員帶來特別困難的挑戰，因為ADC提供了必須在系統級考慮的各種不同輸入采樣架構。出于本討論的目的，重點將放在使用開關電容結構完成輸入采樣的ADC上。在最基本的形式中，這種輸入結構由一個相對較小的電容和一個模擬開關組成，如下圖2所示。

當開關配置在位置1時，采樣電容充電至采樣節點的電壓，在本例中為VS。然后將開關翻轉到位置2，然后采樣電容上的累積電荷轉移到采樣電路的其余部分。然后，該過程重新開始。

如上所述，無緩沖開關電容輸入可能會導致嚴重的系統級問題。將采樣電容充電至適當電壓所需的電流必須由連接到ADC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2）時，需要大量電流才能開始為電容器充電。該瞬時電流的大小是采樣電容大小、電容開關頻率以及采樣節點上電壓的函數。該開關電流可以用以下公式描述：

在上面的示例中，C是采樣電容的電容，V是采樣節點上的電壓（在本例中表示為VS），f是采樣開關打開和關閉的頻率。該開關電流導致采樣節點上出現高電流尖峰，如圖2所示。

在設計A/D轉換器前面的模擬電路時，必須考慮該開關電流的影響。當該電流通過任何電阻時，將發生壓降，導致A/D轉換器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未完全建立，也可能發生失真。

解決方案：ADC 驅動器

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、更高速的ADC變得非常具有挑戰性。隨著ADC分辨率和速度的提高，傳感器信號的噪聲和失真的影響變得更加明顯。在較高的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目標信號帶寬。

為了克服這些信號調理挑戰，許多ADC應用需要一個能夠提供足夠建立和抗混疊的ADC驅動器。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至差分轉換。

ADC驅動器的另一個功能是緩沖輸入信號，從而將電路的其余部分與ADC輸入節點上的電荷注入隔離開來。ADC驅動器提供瞬時電荷，以確保采樣節點在跟蹤時間內建立，從而最大限度地減少與建立相關的任何失真。

大多數ADC驅動器放大器還提供硬件引腳，使用戶能夠對共模電壓進行電平轉換。該特性非常適合確保產生的差分信號以ADC的輸入電壓范圍為中心，從而最大化動態范圍。

最后，與大多數放大器元件類似，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驅動器的額定增益相對較低，通常增益僅為1或2 V/V。通過保持放大器的閉環增益較低，環路增益最大化，從而獲得最低失真。例如，如果放大器的開環增益為100 dB，而閉環增益配置為200或46 dB，則只有54 dB的開環增益裕量來確保線性度，或大約是500分之一。因此，通常有一個單獨的增益級位于信號源附近。

為了充分利用數據轉換器，ADC驅動器必須優化性能，同時為源信號增加可忽略不計的失真、噪聲和建立時間誤差。MCP6D11差分驅動器專為最大限度地提高高速ADC的性能而設計，例如MCP33131，這是一款16位、1MSPS SAR ADC。

審核編輯：郭婷