高速无缓冲ADC的反冲

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高速无缓冲ADC的反冲

如今，高速模数转换器(ADC)的种类和供应商众多，要选择一
款合适的产品可能并非易事。当您缩小搜索范围后，最终的抉
择往往是选取缓冲型还是无缓冲型（开关电容）转换器。尺寸
和功耗受限的应用通常倾向于无缓冲型。无论做何选择，都可
以找到许多相关的文章，提醒您注意模拟输入接口问题，特别
是在较高的中频频率下。
在信号链中使用 ADC 的根本目的，是在设计中以及最终在系
统层次上实现最佳的动态范围、噪声特性（信噪比或 SNR）和
线性度（无杂散动态范围或 SFDR）。本文首先将阐述缓冲型
与无缓冲型 ADC 的区别（优缺点），然后讨论原始无缓冲 ADC
内部采样网络的反冲（一般称为“电荷注入”），以及如何驱
动无缓冲型 ADC。最后，本文将说明构建适当抗混叠滤波器
(AAF)所需的特殊模拟输入接口设计要求，并给出一个范例。
我是否需要使用无缓冲型ADC？
缓冲型与无缓冲型 ADC 之间存在很大差异。缓冲型的优点比
较直观，缓冲器将模拟接口电路与内部开关电容采样工作隔离
开来，这就为 ADC 驱动器提供一个受控的输入阻抗，瞬态效
应（一般称为“反冲”）大大减弱。反冲或电荷注入是指当
ADC 的内部采样开关断开和闭合时，残余电荷被送回到输入
信号中。

缓冲器带来的这些好处可以在一定程度上简化模拟接口设计，
并且支持更高的输入带宽。然而，缓冲器的缺点也是存在的，
尽管不太明显。缓冲器通常需要较高的电源电压，这会带来额
外的电源设计问题。ADC 的噪声和线性度也会受到影响，因
此在电源方面，整体 ADC 设计大受影响。
在系统层次上，多数高速 ADC 的输入采用放大器驱动。因此，
在常见的信号链应用中，缓冲器的电源有点多余。如果模拟接
口电路和放大器设置为直接驱动采样网络，而不使用缓冲器，
则整个系统可以得到更好的优化。问题是如何处理提供给驱动
器电路的原始采样电容的电荷（反冲）。
去掉缓冲器是多数系统设计师倾向做出的妥协，因为可以额外
节省功耗，但这样一来，设计师必须面对一个棘手的任务——
在转换器与放大器之间提供一个可以实现的模拟接口。不用
怕，因为即使无缓冲型转换器的阻抗随着采样状态（跟踪模式
与保持模式）和中频频率而变化，但该设计在最终应用中仍将
有效。您只需在利用无缓冲型 ADC 进行设计时，认真遵守一
些注意事项。

了解抗混叠问题
ADC 是信号链中的一项值得注意的模拟功能。无论所选 ADC
是缓冲型还是无缓冲型，驱动放大器与转换器之间都需要一个
适当的 AAF 设计，用以降低宽带噪声和杂散。相比于传统线
性模块（如混频器和放大器等），ADC 具有一些非常独特的
特性，其中之一是混叠。
混叠是指所有频率成分“折叠”到基带或第一奈奎斯特区。
如果在所需信号带宽（目标奈奎斯特区）外有不需要的杂散
和噪声，混叠就会造成问题。为此，一般会在 ADC 输入端
之前使用一个抗混叠滤波器。驱动放大器、抗混叠滤波器和
ADC 内部的采样网络构成一个紧密交织的系统，可以对其
进行优化以有效满足大多数应用的要求，您只需要知道一些
诀窍就能成功。
第一步是确定抗混叠滤波器的要求，包括阻带抑制曲线和通带
纹波要求。这些要求一般由带外成分决定，必须防止带外成分
混叠到目标频段内。目标是确定可以实现并且仍能满足要求的
最小滤波器阶数，使元件数量最少，整体系统复杂度最低。为
便于讨论，假设使用无源 LC 滤波器。
一旦确定滤波器后，下一步便是设置模拟接口的阻抗。较低的
阻抗对 ADC 有利，因为它给采样网络带来的驱动阻抗较低，
但不利于驱动放大器。这一点在设计中很关键。多数驱动放大
器设置为驱动大约 75 Ω 的阻抗（单端），这是 AAF 设计的一
个良好开端。
无论何种阶数或类型，LC 滤波器在 ADC 输入端应有一个并联
电容，此电容对滤波器与 ADC 的接口至关重要。该并联电容
充当第一缓冲器，缓冲来自无缓冲型 ADC 的反冲电荷。电容
越大，则对电荷反冲的抑制越好，ADC 驱动性能也就越高。
记住，可以在 AAF 中调整阻抗，以优化 ADC 性能和/或放大
器性能。

影响 LC 滤波器驱动无缓冲开关电容高速 ADC 的另一个因素
是滤波器的输出阻抗 Q。滤波器驱动 ADC 的采样网络，所以，
该输出阻抗是 ADC 驱动阻抗的一部分。如果滤波器驱动网络
的 Q 太高，则 ADC 内部采样网络的电荷反冲会在模拟输入端
引起响铃振荡。这种振荡如果没有在一个时钟周期内消失，就
会造成额外的失真。
多数 ADC 模拟接口设计实际上是集总元件网络，而不是匹配
系统。这种“中频片”成为“匹配”与集总元件分析——转换
器的“可用”带宽、并联电容要求、去 Q、波长和走线长度限
制——之间的过渡。了解这些变量后，我们将有多种不同的
AAF 权衡和设计方法可以考虑。


全部内容请下载：
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