大部分模数转换器(ADC)的输入均可连接到采样电容器。在进行转换之前,电容器充电可达到输入电压(图1(a))。输入开关关闭。在t0时,通过打开输入开关保持信号(图1(b))。现在,转换器可以处理信号了。电容器(包括开关)通常称为“采样与保持级”。模数转换器的设计人员必须确定此电容器的容量。电容器容量越大,采样噪声(kT/C噪声)越低。不过,电容器需要在转换器的采样期间(采集时间)再充电。以下例子说明进行此操作的难度。德
大部分模数转换器(
ADC)的输入均可连接到采样
电容器。在进行转换之前,
电容器充电可达到输入电压(图1(a))。输入
开关关闭。在t0时,通过打开输入开关保持信号(图1(b))。现在,转换器可以处理信号了。电容器(包括开关)通常称为“采样与保持级”。
模数转换器的设计人员必须确定此电容器的容量。电容器容量越大,采样噪声(kT/C噪声)越低。不过,电容器需要在转换器的采样期间(采集时间)再充电。以下例子说明进行此操作的难度。
德州仪器公司 (
TI) 推出的
ADS8361是一款 500kHz的
16位模数转换器。其采样电容器的容量是20pF,采集时间大约为 400ns。信号应至少建立到最低有效位 (
LSB) 大小的一半,其可以根据满量程 (FSR) 进行计算:
1 LSB = FSR /
216也可以使用此数据计算再充电过程所需的带宽 (f3
dB):在采集时间内 (Ta=400ns),运算放大器必须建立到 LSB 的一半,对于16位转换器来说,其为满量程 (FSR)) 的1/216+1。如果输入信号Vin 在一次转换期间根据FSR改变到下一次转换,而且再充电是一阶指数曲线的话,则在电容器(Vc)的输入端收到以下电压:
Vc(t)-Vin=FSR*e-Ta/τ&
lt;FSR/216+1
-Ta/τ<ln(1/216+1)=-(16+1)*
ln2τ< Ta/((16+1)*ln2)=34ns (1)
f3dB=1/(2πτ) = (16+1)*ln2/(2π*Ta) = 4.7MHz (2)
如果驱动运算放大器的输出
电流受到限制,则建立与时间不是指数关系,而是时间线性关系,运算放大器转换(图2)。这会增加建立时间。
再次假设两次转换输入信号的变量是满量程。对于 ADS8361 来说即为 5V。如果转换采用一半采集时间,则运算放大器的转换率 (SR) 必须至少为:
SR = 5V/0.2μs=25V/μs。
而且最大输出电流必须大于:
C=△Q/△V=I*(△t/△V)=I/SR
I=C*SR=20pF*25V/μs=0.5mA
不幸的是,大多数放大器都存在电容性负载方面的问题。电容器旨在降低驱动放大器的相位裕度,并使其变得不稳定。因此,放大器的输出通常会出现某些振铃(图3)。
其振铃一般很小,使用
示波器不能观察到,但是利用模数转换器可以测量到。因此,DC输入电压需要被施加到驱动运算放大器。在转换器的输入代码随不断增加的采集时间振荡时,则很可能放大器存在振铃。
为了防止放大器产生振铃,需要从电容器断开放大器。这可以通过在放大器与电容器之间放置
电阻来实现(图4)。