精確測(cè)量ADC驅(qū)動(dòng)電路建立時(shí)間

　　引言

　　許多現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均是由高速和高精度ADC組成的。由于其低成本和低功耗，基于CMOS開關(guān)型電容器的ADC通常被用于此類設(shè)計(jì)中。ADC使用一個(gè)無(wú)緩沖前端，直接耦合至采樣網(wǎng)絡(luò)。為了有效地最小化噪聲和信號(hào)失真，需使用一款高速、低噪聲和低失真的運(yùn)算放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)該ADC。為了使失真最小化，將運(yùn)算放大器輸出在ADC采集時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)到理想的精度是非常重要的。通常，運(yùn)算放大器建立時(shí)間是根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書中規(guī)定的頻率響應(yīng)時(shí)間計(jì)算得出的，也可以通過(guò)具有精度限制功能的示波器對(duì)輸出進(jìn)行測(cè)量得出，有時(shí)需要將運(yùn)算放大器的輸入與輸出差值放大來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的精度。但這些方法均受示波器精度以及電路寄生的限制。此外，運(yùn)算放大器的建立時(shí)間還受由示波器探針導(dǎo)入的寄生電容和電感的影響。第二種方法是將運(yùn)算放大器的輸入輸出差值放大來(lái)提高測(cè)量的精度。以上這些方法均未考慮 ADC 采樣電路和采樣數(shù)據(jù)包中的寄生電容和電感。

　　建立時(shí)間的定義

　　建立時(shí)間是指從理想的瞬時(shí)步進(jìn)應(yīng)用輸入到閉環(huán)放大器的輸出達(dá)到并保持在一個(gè)規(guī)定的對(duì)稱性誤差范圍的時(shí)間。建立時(shí)間包括一個(gè)非常短暫的傳播延遲時(shí)間，以及將輸出轉(zhuǎn)換至最終值近似值所需的時(shí)間，然后結(jié)合轉(zhuǎn)換從過(guò)載條件下恢復(fù)，最后穩(wěn)定在規(guī)定誤差范圍內(nèi)。對(duì)于高精度ADC來(lái)說(shuō)，規(guī)定的誤差范圍通常為一個(gè)最低位(LSB)ADC的四分之一。

　　基本設(shè)置

　　此處使用的 ADC 是 TI 推出的 ADS8411，該器件是一款 16 位 2-MSPS 的逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算放大器為 TI THS4031。圖 1 顯示了評(píng)估設(shè)置。

　　 圖 1 建立時(shí)間評(píng)估設(shè)置

　　利用一個(gè)模擬多路器 (MUX)(型號(hào)為 TI TS5A3159)，通過(guò)開關(guān)其 2 個(gè)通道來(lái)產(chǎn)生瞬時(shí)步進(jìn)輸入。直流電壓 V 連接到通道 2，通道 1 連接至接地;該設(shè)置可以產(chǎn)生一個(gè)步進(jìn)輸入，從零電壓升至有電壓，或從有電壓降至零電壓。此外，可以通過(guò)步進(jìn)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生步進(jìn)輸入。步進(jìn)發(fā)生器的建立時(shí)間速度要比運(yùn)算放大器的建立時(shí)間快許多。
　　說(shuō)明

　　步驟 1

　　ADC 首先對(duì)通道 1(連接至接地)進(jìn)行采樣。需要有一個(gè)較長(zhǎng)的采樣時(shí)間以確保 ADC 的輸入電容被完全放電。

　　步驟 2

　　如圖 2 所示，在瞬時(shí) A 時(shí)，將模擬 MUX 從通道 1 切換到通道 2。該圖顯示了將 MUX 從通道 1 切換到通道 2 時(shí) S 點(diǎn)(圖 1)的電壓。MUX 的建立時(shí)間用 ts 標(biāo)識(shí)出來(lái)。假設(shè) ts 比運(yùn)算放大器的建立時(shí)間要短。

　　 圖 2 MUX 通道變化的建立時(shí)間

　　步驟3

　　一旦在瞬時(shí) A 點(diǎn)開啟模擬 MUX，運(yùn)算放大器的輸入就會(huì)立即開始發(fā)生變化。在瞬時(shí) A 點(diǎn)之后，經(jīng)過(guò)一個(gè)非常短暫的傳播延遲，運(yùn)算放大器的輸出開始變化。通過(guò)轉(zhuǎn)換率和產(chǎn)品說(shuō)明書中規(guī)定的帶寬可以大概計(jì)算出運(yùn)算放大器建立時(shí)間 (tideal)。本文提出的方法描繪了運(yùn)算放大器在瞬時(shí) A 點(diǎn)到瞬時(shí) B 點(diǎn)時(shí)的輸出(如圖 3)。瞬時(shí) B 點(diǎn)和瞬時(shí) A 點(diǎn)之間的差為 2tideal。