ADC前端驱动电路该怎么加?杨老这波分析很赞噢!

模数转换器(ADC)能够将模拟量转变成数字量,因此它是电学测量、控制领域中一个极为重要的部件。一般来说,一个模拟电压信号,在进入ADC的输入端之前,都需要增加一级驱动电路(Driver);但是也有一些ADC具有“极贴心设计”的输入端,这就无需在前级增加驱动电路了。那么到底什么时候该加,什么时候不该加呢?且听杨老师娓娓道来~

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加或不加,都得从原理说起,毕竟原理才是学习模电的重点。首先我们要知道,为什么要给ADC前端增加驱动电路?杨老在这儿给出了5条理由,包括:

* 输入范围调整
* 输入类型转换
* 低阻输出,以减小测量误差
* 输入类型转换
* 抗混叠滤波

其中,只要有一条是必要的,就必须使用ADC驱动电路。下面进行一一分析。

输入范围调整

任何一个ADC,都有输入电压范围。当实际输入电压超出此范围,将引起ADC转换失效。而被转换的信号,并不能保证在此范围内,这就需要ADC驱动电路将其调整到合适的范围之内。

输入范围调整,包括对信号的增益改变,以及直流电平移位两个功能。

输入类型转换

原始输入信号的输出类型有两种:单端型、差分型。而ADC的输入类型有三种:单端型、全差分型和伪差分型。如果两者不一致,就会影响ADC性能发挥。这就需要类型转换电路,将信号类型演变成与ADC一致的类型。

一个电压信号,如果用两根线传输,且两线电位做相反变化,则此信号为差分信号。一个电压信号,如果用一根线传输,且默认地线为参考点,则此信号为单端信号。ADC的输入端类型则稍复杂一些:

单端型:它只有一个输入端AIN,实际输入信号为此输入端电压uIN。

全差分型:它有两个完全对称的输入端AIN+、AIN-,对应的电压为uIN+、uIN-,则实际输入电压为,uIN+减去uIN-。

伪差分型:它有两个不对称的输入端AIN+、AIN-,对应的电压为uIN+、uIN-,则实际输入电压为,uIN+减去uIN-。关键是,AIN+端,允许输入信号满幅度变化,而AIN-端,像受欺负一样,只被允许小幅度变化。

图1 驱动电路实现信号和ADC之间的输入类型转换

图1是常见的两种输入类型转换。左边将差分信号转换成单端信号,适应于单端型ADC,右边电路将单端信号转换成差分信号,适应于后面的全差分ADC。这里有两点需要注意:

左边电路可以用另外一种方法实现,即将差分信号的一个端子直接接入单端ADC。

两个电路中,可以发现,输入都是骑在0V上的信号,而输出都变成了大于0V的信号(骑在某个正电压上),以适应于多数只能接受正电压输入的ADC。

低阻输出,以减小测量误差

有些原始信号,具有一定阻值的输出电阻。将这样的信号直接接入ADC,会带来测量误差。误差的根源:多数ADC内部都有采样电容,以实现采样保持功能。这种ADC的内部结构一般如图2和3所示。它由两组开关,一个采样电容CSAM,以及后续没有画出的转换电路组成。

左图2 ADC采样阶段 右图3 ADC转换阶段

抗混叠滤波

当输入被测信号频率为fi,那么按照奈奎斯特定律,要想完整采集信号,采样率fs必须大于2fi。当采样率小于2fi时,一定会出现混叠现象,即采集的波形中出现很低的混叠频率。图4演示了混叠频率的出现原因。图中输入信号为黑色的高频信号,当采样率小于2fi时,我们获得的采样点形成了红色的波形,其频率不是信号频率,而是混叠频率,很低。混叠现象欺骗了我们,因此我们不希望出现这种现象。一旦在数据中出现混叠频率,后期即便增加软件滤波,也是难以剔除的。

唯一的方法就是让大于fs/2的频率信号,不要出现在ADC的入端,或者这种频率分量在ADC入端只有很小的幅度。因此,增加驱动电路,以滤除或者减小高于fs/2的频率信号就成为必须。常见的方法是,给ADC入端之前,增加一级截止频率为fH的无源低通电路,以实现抗混叠滤波。

电源级保护

一般来说,ADC的价格(几美元到几十美元甚至更高)会高于前端放大器价格。用廉价的东西保护昂贵的东西,是一个常用的方法。而ADC的前级驱动电路,就可以实现这种保护。

将ADC前端的驱动电路,用一个安全的供电电压,就可以实现对ADC的电源级保护。所谓的电源级保护,是指驱动电路的输出,不可能超过电源电压。这样,只要选择电源电压在ADC输入端认可的安全范围内,就可以保证ADC的输入端不会超限。

图5 驱动电路实现对ADC的电源级保护

如图5所示。多数ADC输入端承受最高电压,就是其电源电压。因此,将ADC的供电电压与前端驱动电路的供电电压,选择成一致的,就可以实现对ADC入端的电源级保护了。

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