淺談信號(hào)路徑性能的加強(qiáng)
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為傳感器提供緩沖
若傳感器無法驅(qū)動(dòng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電容負(fù)載，可以利用運(yùn)算放大器為其提供緩沖。由于許多應(yīng)用系統(tǒng)都規(guī)定只可采用一個(gè)電源供應(yīng)，因此所選運(yùn)算放大器的工作電壓必須與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電壓相同，這一點(diǎn)非常重要。雖然共用供電電壓有助于精簡(jiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)省成本，但運(yùn)算放大器因?yàn)槭芄╇婋妷旱某钢猓灾缕漭斎胼敵瞿芰o法得到充分發(fā)揮。以
adc121s101為例，由于芯片的參考電壓 (vref) 也同時(shí)是供電電壓，因此選用設(shè)有軌到軌輸出 (rro) 功能的運(yùn)算放大器如
lmp2011 較為理想。因?yàn)?lmp2011 放大器芯片設(shè)有軌到軌輸出功能，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以利用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，以確保可以使用所有輸出代碼。
選定具備適當(dāng)輸入/輸出能力的運(yùn)算放大器之后，便要考量放大器的增益帶寬。若信號(hào)源的最高輸出低于參考電壓，緩沖級(jí)便可能需要為其提供增益。若運(yùn)算放大器配置為單位增益放大器，其頻率會(huì)受增益帶寬積 (gbwp) 所限，以致只能選用 3db 頻率。由于運(yùn)算放大器的增益帶寬積屬于不變的常數(shù)，因此我們只要采用增益為 acl 的閉環(huán)配置便可降低放大器的帶寬，降幅高達(dá) acl 倍，其計(jì)算公式為：
由于閉環(huán)帶寬與放大器的頻率同樣是 3db，放大器若以這個(gè)頻率操作，其輸出是輸入值的 70.7%，因此若以 3db 頻率作為基準(zhǔn)衡量，輸出振幅的誤差會(huì)高達(dá)
29.3%。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的誤差以最低有效位 (lsb) 作為計(jì)算單位。1 lsb定義為 vref/2n，定義中的 vref 為參考電壓，而
n 則是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨度。例如，8 位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 1 lsb 是 vref/256。對(duì)于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器最低有效位準(zhǔn)確度必須高達(dá)
1/2 lsb的系統(tǒng)來說，8 位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入增益準(zhǔn)確度必須高達(dá) 1 1/2n+1，亦即 99.8%。為了保證運(yùn)算放大器的增益準(zhǔn)確度足以滿足系統(tǒng)的特定要求，必須計(jì)算出運(yùn)算放大器的最高操作頻率
(fmax)。先假定運(yùn)算放大器的頻率大約相當(dāng)于單極濾波器的頻率響應(yīng)。圖 1 所示的曲線圖顯示增益 (av) 及 3db 頻率 (fo)
已按照 1 加以規(guī)范化。以下是這條曲線的公式：
頻率 (f) 的計(jì)算公式：
為了確保 8 位系統(tǒng)符合 1/2 最低有效位錯(cuò)誤的要求，運(yùn)算放大器的規(guī)范化最高頻率 (fmax) 是： 
以 8 位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為例來說，若準(zhǔn)確度規(guī)定為 1/2 最低有效位，運(yùn)算放大器的實(shí)際帶寬只有 0.062x gbwp (增益帶寬積)。換言之，若lmp2011 運(yùn)算放大器的增益帶寬積為 3mhz，而且采用的是配合單位增益的配置，那么其實(shí)際帶寬只有 186khz。若增益必須超過 1 倍，實(shí)際帶寬更會(huì)進(jìn)一步下跌。以不同分辨度的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器來說，1/2 最低有效位錯(cuò)誤的規(guī)范化最高頻率可以根據(jù)以下公式計(jì)算出來：
為開關(guān)電容負(fù)載充電
由于上述設(shè)有模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信號(hào)路徑添加了運(yùn)算放大器，因此可以驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載。但模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端本身便是開關(guān)電容負(fù)載 (見圖 2)。
adc121s101 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片處于“保持”模式時(shí)，其輸入電容 (cpin) 不會(huì)超過 4pf，若處于“跟蹤”模式時(shí)，其輸入電容 (csample + cpin) 則不會(huì)超過 30pf。輸入電容的改變會(huì)導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)，為了將誤差減至最少，ci 電容器必須通過輸入引腳連接接地。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器處于“跟蹤”模式時(shí)，ci 電容器的電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)換器的輸入電容。因此 ci 電容器可為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的取樣電容器提供充電電流，迅速為其充電。一般來說，我們要為有關(guān)的電容器添加隔離電阻，以便額外添加的負(fù)載電容可與運(yùn)算放大器的輸出端分隔開 (見圖 3)。
為 rc 網(wǎng)絡(luò)選用適當(dāng)?shù)臄?shù)值時(shí)，必須考量三個(gè)重要的因素。首先，設(shè)計(jì)工程師必須知道 rc 網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上可視為信號(hào)路徑上的低通濾波器，因此每當(dāng)輸入頻率偏向 1/2 rc 所界定的電極時(shí)，rc 網(wǎng)絡(luò)便會(huì)減弱取樣信號(hào)。對(duì)于部分應(yīng)用來說，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的增益非常重要，若這類系統(tǒng)不采用增益校正，便必須在上述情況下將取樣信號(hào)減弱，這是系統(tǒng)優(yōu)劣成敗的關(guān)鍵。第二，采用的串聯(lián)電阻也不可太大。雖然電阻值越大，運(yùn)算放大器輸出端的相位延遲便越少，運(yùn)算放大器也就更加穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入端并行連接的內(nèi)、外電容器便無法在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的“跟蹤”時(shí)間內(nèi)完成充電。一般來說，電阻值都低于 100 。第三，采用“跟蹤”模式時(shí)，外置電容器必須比輸入電容大很多倍。這樣才可在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器由“保持”模式切換為“跟蹤”模式時(shí)將電容器出現(xiàn)的壓降減至最少。
運(yùn)算放大器需要多少建立時(shí)間完全取決于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的“跟蹤”模式持續(xù)了多久。運(yùn)算放大器要趕緊在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器改用“保持”模式之前，利用這段“跟蹤”時(shí)間為電容器補(bǔ)充充電，確保電容器儲(chǔ)存足夠的電壓。利用輸入引腳為電容器充電需要一段固定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間常數(shù)取決于串聯(lián)電阻值及并行連接的內(nèi)外電容器的電容值。運(yùn)算放大器若無法在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)入“保持”模式之前穩(wěn)定輸入端的電壓，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換便會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，而且數(shù)據(jù)會(huì)前后不一致。
若要尋找適當(dāng)?shù)?ri 電阻值及 ci 電容值，開始時(shí)可以按照模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的取樣頻率設(shè)定 rc 網(wǎng)絡(luò)的電極。若這個(gè)設(shè)定會(huì)令最高輸入頻率出現(xiàn)過大幅度的衰減，設(shè)計(jì)工程師可以相應(yīng)調(diào)低有關(guān)的電容值或電阻值。設(shè)定最低電阻值時(shí)，應(yīng)充分考慮運(yùn)算放大器有多大的輸出驅(qū)動(dòng)能力。較小的電阻值比較理想，因?yàn)槭д鏁?huì)較少。但必須保證放大器可在有關(guān)應(yīng)用的整個(gè)輸入頻率范圍內(nèi)，以至在不同的振幅及溫度下都能保持穩(wěn)定。
如何管理元件的容錯(cuò)能力 如果放大器配置采用反相放大器 (見圖4)，便很容易計(jì)算出元件容錯(cuò)率所派生的錯(cuò)誤系數(shù)。由于增益可定義為 rf/rg，因此若選用最高值的 rf 搭配最低值的 rg，或者選用最低值的 rf 搭配最高值的 rg，那么實(shí)際的增益與理想的數(shù)字便會(huì)出現(xiàn)極大的差距。若使用 1% 容錯(cuò)度的電阻，錯(cuò)誤率最高可達(dá)2%。
對(duì)于沒有加設(shè)增益校正電路的應(yīng)用來說，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍必須限定在一定的范圍之內(nèi)。以 8 位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為例來說，1 最低有效位
(lsb) 相當(dāng)于參考電壓的 0.39% (vref/2n)。因此，電阻容錯(cuò)度產(chǎn)生的 2% 增益錯(cuò)誤相當(dāng)于動(dòng)態(tài)范圍失去 12 lsb
，比最高輸出代碼少 6 lsb (5.13 的約數(shù))，但比最低輸出代碼則多 6 lsb。
減低供電線路所產(chǎn)生的噪聲
元件容錯(cuò)度是導(dǎo)致模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器信號(hào)路徑出現(xiàn)錯(cuò)誤的其中一個(gè)原因，而數(shù)字電路也會(huì)將噪聲帶進(jìn)供電干線，這是信號(hào)路徑出現(xiàn)錯(cuò)誤的另一個(gè)原因。噪聲會(huì)通過供電引腳混入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及運(yùn)算放大器。一般來說，像 lmp2011 這類芯片都有卓越的電源抑制比 (psrr)，因此不會(huì)受噪聲影響。但以 adc121s101 這類模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為例來說，其供電電壓也同時(shí)是參考電壓，而電源抑制比只有 0db (亦即 psrr 為零)。由于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出驅(qū)動(dòng)器以極快的邊緣率操作，因此模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器需要的供電量便會(huì)變化不定。混入輸入供電線路的噪聲可以干擾線路上的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其他相連的模擬電路。若要有效抑制供電線路噪聲而又沒有其他更佳選擇之前，加設(shè)兩個(gè)超小型電容器的雙電容器去耦電路設(shè)計(jì)不失為一個(gè)初步而又較為理想的方案，這個(gè)設(shè)計(jì)的其中一個(gè)電容器設(shè)于距離供電引腳一厘米之內(nèi)的位置，其電容為 0.1 f (典型值)，而另一電容器則設(shè)于附近，其電容則為1.0～ 10 f。若模擬及數(shù)字供電引腳都連接同一電源，可以在這兩條引腳之間加設(shè)扼流圈。這個(gè)扼流圈可視為直流電的短路，而且進(jìn)行高頻操作時(shí)若需要為電路提供隔離，這個(gè)扼流圈也可作為電阻提供隔離功能。
雖然能夠?qū)⒐╇娋€路有效隔離總是好的，但最好還是盡量將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出端的相對(duì)負(fù)載電容減至最少，以便轉(zhuǎn)換器耗用較少電流。負(fù)載電容進(jìn)行充電時(shí)會(huì)令供電線路出現(xiàn)噪聲尖峰，而負(fù)載電容進(jìn)行放電時(shí)則會(huì)將噪聲帶入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基底。目前有幾個(gè)方法可以將負(fù)載電容減至最少。最容易的方法是只驅(qū)動(dòng)一顆芯片，但有關(guān)芯片須盡量置于靠近模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出端的位置。此外，也可采用串聯(lián)電阻減低驅(qū)動(dòng)負(fù)載電容所產(chǎn)生的影響。這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是負(fù)載電容器進(jìn)行充電或放電所需的電流會(huì)受到限制，而且輸出的轉(zhuǎn)換率也可降低。要確保串聯(lián)電阻值不可超過100 ，以便符合數(shù)字電路的定時(shí)規(guī)定。串聯(lián)電阻可能無法符合高頻系統(tǒng)的要求，因此被驅(qū)動(dòng)的電路必須盡量靠近模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端。
保持時(shí)鐘信號(hào)的完整性
模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘線路與其輸出端一樣，可以將噪聲帶入系統(tǒng)。若時(shí)鐘線路的長度超過其上升時(shí)間除以線跡延遲的 6 倍，時(shí)鐘線路便應(yīng)視為傳輸線路，其計(jì)算方法如下：
fr4 電路板的線跡延遲是每英吋 150ps (典型值)。若將線跡當(dāng)作傳輸線路，線跡必須具備受控阻抗的特性，而且還須設(shè)有適當(dāng)?shù)慕K端裝置，以免出現(xiàn)信號(hào)反射，導(dǎo)致失真情況出現(xiàn)。時(shí)鐘波形一旦失真，便會(huì)導(dǎo)致每一時(shí)鐘周期出現(xiàn)變化，這種變化情況一般稱為抖動(dòng)。時(shí)鐘的定時(shí)時(shí)間一旦有變，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器選取波形的確實(shí)地點(diǎn)便會(huì)不同。信號(hào)若出現(xiàn)抖動(dòng)，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的取樣點(diǎn)總是位于比理想取樣點(diǎn)較高或較低的位置。由于信號(hào)取樣過程出現(xiàn)時(shí)間的落差，噪聲也就因此而起。1 lsb 的錯(cuò)誤最高只能容許 1/2 fin 的抖動(dòng)。若錯(cuò)誤為 1/2 lsb，計(jì)算時(shí)可將 n+1 取代 n。
還可以為線路加設(shè)終端裝置，這是另一個(gè)可以避免線路出現(xiàn)反射現(xiàn)象的方法。線跡的終端裝置分為兩種，一種是近端終端裝置，另一種是遠(yuǎn)端終端裝置。若采用近端終端裝置，電阻必須與靠近信號(hào)源輸出端的線路串聯(lián)一起。信號(hào)源與串聯(lián)電阻的電阻值總和應(yīng)等于線路的特性阻抗。若近端終端裝置無法滿足要求，則必須采用遠(yuǎn)端終端裝置。若采用遠(yuǎn)端終端裝置，電阻必須在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘輸入端連接接地。終端電阻要盡量置于靠近模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入引腳的位置，而電阻值應(yīng)相等于線路的特性阻抗。
系統(tǒng)若需要利用時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)多個(gè)不同的輸入端，單靠遠(yuǎn)端終端裝置可能并不足夠。遠(yuǎn)端終端裝置會(huì)減弱信號(hào)電平。若時(shí)鐘源同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)輸入端，而每一輸入端都設(shè)有終端電阻，那么時(shí)鐘電壓可能會(huì)因此減弱，以致永遠(yuǎn)無法達(dá)到邏輯閾值。以上述例子來說，采用交流電終端裝置較為理想。若采用交流電終端裝置，便需要加設(shè)一個(gè)與電容器串聯(lián)一起的電阻，而且這個(gè)電阻必須在模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端連接接地。這個(gè)設(shè)計(jì)可以減弱采用交流電的元件，但對(duì)采用直流電的元件則沒有影響。以設(shè)有交流電終端裝置的系統(tǒng)為例來說，振幅介于 0～ 5 v之間的信號(hào)會(huì)以 2.5v作為中心點(diǎn)。時(shí)鐘仍會(huì)被減弱，但會(huì)置于各個(gè) cmos 跳轉(zhuǎn)點(diǎn)之間的最中心位置，確保信號(hào)振幅可以減至最少，以符合邏輯電平的規(guī)定。
小結(jié)
工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只要作出明智的選擇，例如為傳感器提供適當(dāng)?shù)木彌_，解決模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器開關(guān)電容的輸入充電問題，以及盡量消除系統(tǒng)的噪聲源，便可構(gòu)思一個(gè)理想的設(shè)計(jì)，大幅提升系統(tǒng)的性能。
評(píng)論