大部分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入均可連接到采樣電容器。在進行轉(zhuǎn)換之前,電容器充電可達到輸入電壓(圖1(a))。輸入開關關閉。在t0時,通過打開輸入開關保持信號(圖1(b))�,F(xiàn)在,轉(zhuǎn)換器可以處理信號了。電容器(包括開關)通常稱為“采樣與保持級”。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設計人員必須確定此電容器的容量。電容器容量越大,采樣噪聲(kT/C噪聲)越低。不過,電容器需要在轉(zhuǎn)換器的采樣期間(采集時間)再充電。以下例子說明進行此操作的難度。德
大部分模數(shù)轉(zhuǎn)換器(
ADC)的輸入均可連接到采樣
電容器。在進行轉(zhuǎn)換之前,
電容器充電可達到輸入電壓(圖1(a))。輸入
開關關閉。在t0時,通過打開輸入開關保持信號(圖1(b))。現(xiàn)在,轉(zhuǎn)換器可以處理信號了。電容器(包括開關)通常稱為“采樣與保持級”。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設計人員必須確定此電容器的容量。電容器容量越大,采樣噪聲(kT/C噪聲)越低。不過,電容器需要在轉(zhuǎn)換器的采樣期間(采集時間)再充電。以下例子說明進行此操作的難度。
德州儀器公司 (
TI) 推出的
ADS8361是一款 500kHz的
16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其采樣電容器的容量是20pF,采集時間大約為 400ns。信號應至少建立到最低有效位 (
LSB) 大小的一半,其可以根據(jù)滿量程 (FSR) 進行計算:
1 LSB = FSR /
216也可以使用此數(shù)據(jù)計算再充電過程所需的帶寬 (f3
dB):在采集時間內(nèi) (Ta=400ns),運算放大器必須建立到 LSB 的一半,對于16位轉(zhuǎn)換器來說,其為滿量程 (FSR)) 的1/216+1。如果輸入信號Vin 在一次轉(zhuǎn)換期間根據(jù)FSR改變到下一次轉(zhuǎn)換,而且再充電是一階指數(shù)曲線的話,則在電容器(Vc)的輸入端收到以下電壓:
Vc(t)-Vin=FSR*e-Ta/τ&
lt;FSR/216+1
-Ta/τ<ln(1/216+1)=-(16+1)*
ln2τ< Ta/((16+1)*ln2)=34ns (1)
f3dB=1/(2πτ) = (16+1)*ln2/(2π*Ta) = 4.7MHz (2)
如果驅(qū)動運算放大器的輸出
電流受到限制,則建立與時間不是指數(shù)關系,而是時間線性關系,運算放大器轉(zhuǎn)換(圖2)。這會增加建立時間。
再次假設兩次轉(zhuǎn)換輸入信號的變量是滿量程。對于 ADS8361 來說即為 5V。如果轉(zhuǎn)換采用一半采集時間,則運算放大器的轉(zhuǎn)換率 (SR) 必須至少為:
SR = 5V/0.2μs=25V/μs。
而且最大輸出電流必須大于:
C=△Q/△V=I*(△t/△V)=I/SR
I=C*SR=20pF*25V/μs=0.5mA
不幸的是,大多數(shù)放大器都存在電容性負載方面的問題。電容器旨在降低驅(qū)動放大器的相位裕度,并使其變得不穩(wěn)定。因此,放大器的輸出通常會出現(xiàn)某些振鈴(圖3)。
其振鈴一般很小,使用
示波器不能觀察到,但是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以測量到。因此,DC輸入電壓需要被施加到驅(qū)動運算放大器。在轉(zhuǎn)換器的輸入代碼隨不斷增加的采集時間振蕩時,則很可能放大器存在振鈴。
為了防止放大器產(chǎn)生振鈴,需要從電容器斷開放大器。這可以通過在放大器與電容器之間放置
電阻來實現(xiàn)(圖4)。