前言

大部分ADC均需要輸入信號具有一定的驅(qū)動能力，以滿足ADC內(nèi)部采樣電路的建立要求。然而在很多應(yīng)用場景，類如傳感器前端等，輸入信號驅(qū)動能力極弱，因此需要在輸入信號和ADC之間使用Buffer來提供ADC需要的驅(qū)動能力。Buffer通常用單位增益反饋的運(yùn)放組成，而運(yùn)放的增益，帶寬影響著經(jīng)過緩沖器后被ADC所采集的信號的精度，線性度，因此Buffer中運(yùn)放的設(shè)計尤為重要。

除上述兩點之外，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，為了防止輸入信號被采樣后發(fā)生混疊，一些應(yīng)用中會將抗混疊濾波器與Buffer在一起實現(xiàn)，例如在電路中級聯(lián)一個簡單的串聯(lián)RC組成的抗混疊濾波器。

上述情況均為運(yùn)放組成的閉環(huán)負(fù)反饋放大電路，因此在對其中運(yùn)放設(shè)計時主要考慮增益，帶寬以及穩(wěn)定性等指標(biāo)，其中帶寬和穩(wěn)定性隨著運(yùn)放的反饋系數(shù)或者負(fù)載電容等在不同情況下的不同使得分析更為復(fù)雜一些。

本文對兩種情況下運(yùn)放的速度和穩(wěn)定性進(jìn)行淺析。

情況1：驅(qū)動器直接驅(qū)動ADC

圖1 Buffer直接驅(qū)動ADC

本文所討論的第一種情況為Buffer直接驅(qū)動ADC，這種應(yīng)用場景通常在ADC片上集成實現(xiàn)，因為信號輸入ADC之前已經(jīng)經(jīng)過了抗混疊濾波，因此不需要在驅(qū)動器上再進(jìn)行濾波。這種情況和我們之前的一篇文章中分析開關(guān)電容采樣的過程類似，忽略采樣開關(guān)的導(dǎo)通阻抗，運(yùn)放在每次采樣時需要處理兩個過程：

開關(guān)導(dǎo)通瞬間的階躍響應(yīng)過程；

階躍響應(yīng)完成之后的低通濾波器跟隨過程。

階躍響應(yīng)階段采樣電容上的電壓隨時間的變化可以表示為式(1):

其中，τ為時間常數(shù)，即為運(yùn)放的閉環(huán)帶寬分之一，由于Buffer為單位增益負(fù)反饋，因此閉環(huán)帶寬即為運(yùn)放的增益帶寬積GBW，τ因此可以表示為1/(2πGBW)。式(1)中t為半個時鐘周期，即為1/(2fs),如果要求N位的建立誤差，即建立誤差小于半個LSB: VIN/(2^(N+1)),那么可以得到運(yùn)放的GBW和N的關(guān)系如式(2)：

例如，如果設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為16bit，在留有一定裕度的情況下我們要求經(jīng)過Buffer的信號有17bit的精度，假如采樣時鐘為1M，那么根據(jù)式(2)可以算出對運(yùn)放GBW的要求為3.97MHz。

在階躍響應(yīng)完成后，Buffer就變成了一個低通濾波器，假設(shè)運(yùn)放為單極點系統(tǒng)，那么該低通濾波器的響應(yīng)為式(3):

對于該低通濾波器，存在兩個要求：

輸入信號要在濾波器帶寬內(nèi)，在滿足階躍響應(yīng)的建立要求后，這一點很容易滿足（因為采樣時鐘頻率通常會比信號頻率高很多）；

該濾波器具有很好的線性度，這一點可以通過將濾波器的帶寬設(shè)置得足夠高或者保證其頻率響應(yīng)不隨輸入信號變化來實現(xiàn)（參考之前關(guān)于開關(guān)電容線性度的文章）。

綜上，之所以存在上述兩個要求，本質(zhì)上時因為Buffer在同時處理兩個信號：輸入信號和時鐘引起的階躍信號。后者頻率更快，因此通常對Buffer提出了更高的要求。（但也不能一概而論，具體情況需要具體分析）。

情況2：Buffer+抗混疊RC濾波器驅(qū)動ADC

圖2 Buffer+抗混疊RC濾波器驅(qū)動ADC

在一些ADC Buffer設(shè)計時，會在Buffer之后級聯(lián)RC低通濾波器組成抗混疊濾波器，如圖2所示。這種情況與情況1的不同為：由于濾波電容CF選取通常遠(yuǎn)大于ADC的采樣電容，因此在采樣發(fā)生時，運(yùn)放輸出發(fā)生的電壓變化很小（電壓變化的大小取決于CF與CS上的電荷分享），因此運(yùn)放不需要處理階躍響應(yīng)，只需要處理輸入信號（將輸入信號低通傳遞至VX處），運(yùn)放+抗混疊濾波器組合形成的低通濾波器只需要滿足帶寬大于輸入信號的帶寬即可。

假設(shè)Buffer運(yùn)放輸出阻抗為rout，沒有抗混疊濾波時的輸出電容為Cload，那么級聯(lián)抗混疊濾波器后，運(yùn)放的輸出極點從1/(routCload)變?yōu)橐粋€極點1/((rout+RF)CF)和一個零點1/(RFCF)。該極點和零點距離很近，因此在考慮運(yùn)放的頻率響應(yīng)時應(yīng)考慮二者的抵消作用。例如對一個單級運(yùn)放，輸出極點本身為其主極點，但級聯(lián)抗混疊濾波后的零極點抵消使得輸出極點被抵消，主極點變成了其他寄生高頻極點，運(yùn)放很容易不穩(wěn)定；而對于一個密勒補(bǔ)償?shù)膬杉夁\(yùn)放，主極點為第一級輸出極點，輸出極點通常為第二極點，級聯(lián)抗混疊濾波后雖然讓輸出極點變小至低頻（由于CF很大），但其被零點抵消，主極點仍為第一級輸出極點，而輸出極點“消失”，那么運(yùn)放的穩(wěn)定性不變或者變得更好。同時，VOUT處的帶寬仍為運(yùn)放本身的帶寬。

而信號傳遞到VX處，除了主極點外，增加了一個極點：1/(RFCF)，如果運(yùn)放主極點遠(yuǎn)大于增加的極點，那么VX處的帶寬由增加的極點決定，即為抗混疊濾波器的帶寬。

由上述分析可知，在設(shè)計圖2電路中的運(yùn)放時，只需要保證兩級運(yùn)放自身的穩(wěn)定性且閉環(huán)帶寬遠(yuǎn)大于抗混疊濾波器的帶寬，那么級聯(lián)抗混疊濾波器后運(yùn)放同樣穩(wěn)定，且輸入信號的帶寬由抗混疊濾波器決定。

總結(jié)

本文簡單分析了ADC驅(qū)動器設(shè)計時的速度設(shè)計考慮，并針對兩種常見的情況進(jìn)行了單獨的分析，希望可以為讀者在設(shè)計或者選擇ADC驅(qū)動器時提供一些設(shè)計參考。