2.1 SAR 型 ADC 输入类型

大家好 欢迎来到 TI 精密实验室 本视频将会对 ADC 不同输入结构 包括单端输入、伪差分输入 全差分输入和真差分输入进行介绍 同时还会对比讨论 单极性和双极性两种结构 以及开关电容型 和内部集成 Buffer 型两者的区别 这里展示的是两种非常常见的 SAR 型的数据转换输入结构 单端输入和伪差分输入 单端输入结构的输入信号 是相对于地来测量的 在这个例子中 AD 的正输入端连接到了输入信号 负端连接到了地 有的器件 地线是和内部结构连接在了一起 只有一个输入端 需要注意的是 地线有非常严格的限制 一般为正负 100mV 下方的这个波形 展示了输入信号 相对于地平面的计算公式 如果地上有一个小小的误差信号 它将会影响输入信号的大小 伪差分输入结构的输入信号 是相对于满量程的一半来测量的 在这个例子中 满量程为 3V AD 的负输入端连接到了满量程的一半 即1.5V，±100mV 正输入端可以在负输入端的上下进行摆动 产生正负差分输入信号 这个例子中 当正输入端为 3V 时 差分输入电压为 3V 减去 1.5V 即为 1.5V 当正输入电压为 0V 时 差分输入电压为 0 减去 1.5V 等于 -1.5V 等于 -1.5V 因此对于伪差分输入型器件 它的输出数字代码是有符号的 因为它存在正负两种情况 同理，对于单端输入结构 它的输出代码均是无符号的 因为它的所有收入信号都是正的 接下来是 ADC 的两种差分输入结构 在讨论这个之前 我们先简单介绍一下 什么是差分信号 差分信号是等于 正输入电压减去负输入电压 在这个例子中 如果正输入电压为 5V 负输入为 0V 那么它的差分信号就为 5V 当正输入为 0V，负输入为 5V 时 它的差分信号为 -5V 虽然这两个输入电压都是 0V 和 5V 但是它的差分输入范围是 ±5V 所以差分输入范围是每个输入电压的两倍 另外一个非常重要的概念就是共模电压 共模电压是两个输入电压的平均值 简单的计算方法就是 将两个电压相加除以2 共模输入电压是数据转换中 非常重要的一个限制参数 下面就是全差分输入结构 全差分输入结构 在精密 SAR 型 ADC 中应用很多 在这个例子中 输入差分信号为正输入减去负输入 如上页所讲 差分输入范围是两倍的输入电压 在这个例子中 每个数端的信号为 0 到 5V 那么差分数范围就是 ±5V 或者 10V 需要注意的是共模电压是固定的 它等于满量程的一半 共模输入电压的精度是非常重要的 一般允许误差范围为 ±100mV 对于全差分输入结构 可以看出 信号总是关于共模电压对称的 在这个例子中共模电压为 2.5V 输出电压关于 2.5V 进行对称 后面我们会介绍如何使用运放 将端端输入转化为差分输入结构 接下来是真差分输入结构 它与全差分类似 最主要的区别在于 真差分结构允许任意的共模电压范围 而全差分结构 共模电压必须为满量程的一半 这里展示的是 ADS8881 的例子 两个输入电压是相互独立的 输入范围为正输入减去负输入 需要注意的是 共模电压可以在整个范围内变化 同时也可以看得出 输入信号并没有关于共模电压对称 全差分数据结构是一种非常常见的结构 而 ADS8881 是 TI 第一颗发布的 真差分型 ADC 真差分型 ADC 这张表格是几种 ADC 输入结构的总结 假如一个 16 位ADC 参考电压为 5V 这里是不同结构的对比结果 可以很容易看得出来几种结构 的输入电压范围 共模电压范围、满量程范围 和输出代码 这张表格涵盖了每个拓扑结构的内容 可以为以后的设计提供参考 另一个重要的部分 就是 SAR 型 ADC 单极性和双极性的对比 单极性结构只允许正输入信号 而双极性允许正负两种输入 需要注意的是 这里的极性都是相对于地面来说的 在下一节内容中 我们将会介绍 当每个输入端电压都为正时 单极性器件的差分输入电压为何是为负的 当考虑差分输入型 ADC 时 我们通常会认为 ADC 是双极性的 因为它的差分输入包括了正负 然而这样的理解是不正确的 因为单极性和双极性 是根据输入信号相对于地面来定义的 而不是差分信号 这里展示的就是一个单极性 ADC 两个输入电压均为正时 差分信号为负的一个例子 左边这张图是 ADS8881 负满量程输入的例子 差分信号是用正输入减去负输入 例子中正输入电压为 0V 负输入电压为 5V 那么它的差分信号就为 -5V 尽管差分信号为负的 但输入电压都是正的 所以它仍然属于单极性结构 右手边这个图可以看出 将 5V 电压接到正输入端 0V 接到负输入端 则差分信号为 +5V 所以它的总的满量程输入范围 为 ±5V 从传递函数也可以 看出具有±5V 的输入范围 但是它仍然是单极性 ADC 因为它的每个输入电压都为正 现在我们来讨论一下 SAR 型 ADC的内部结构 这里呈现的是两种主要的输入阻抗结构 电阻型和开关电容型 开关电容型由 开关和电容组成的采样保持电路构成 一般情况下采样和保持的时间非常短 这里是 300ns 所以需要一个 外部的宽带放大器放置在输入端 以使输入信号在整个捕获周期内 达到合适的精度 这里使用的是一个 20M 的放大器 还需要注意的是 这种结构的输入阻抗 是 RC 构成的动态阻抗 而不是一个固定电阻 开关电容型结构的 SAR 型 ADC 输入范围 等于参考电压 运算放大器的选择和 RC 电路的设计 是这类 ADC 的一个难点 在后面的视频中我们会给出详细的介绍 对于电阻型、高压型、PGA 输入型 ADC 器件 其内部集成了一个缓冲放大器 或可编程放大器 通常来讲 这个放大器应配置在差分结构中 使 ADC 的输入阻抗 等于差分结构的输入电阻 这个例子中它的输入阻抗为 1MΩ 这种类型的输入结构 比开关电容输入结构 有一个非常重要的优点 那就是它内部集成了 ADC 驱动缓冲器 消除了对外部高速放大器的要求 另一个优点是 输入范围可以大于参考电压 这个例子中输入范围可以达到 ±12.288V 然而它的参考电压只有4.096V 此外 这类结构的器件 大多数将功能集中在了器件的内部 比如它集成了内部参考 以上就是本次的内容 谢谢大家关看