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模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅需要選擇正確的IC元件，還必須準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這些元件在系統(tǒng)內(nèi)的相互影響。從這點(diǎn)來(lái)看，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗哂斜仨氃谙到y(tǒng)級(jí)加以考慮的各種不同的輸入采樣結(jié)構(gòu)。下面介紹下幾種基本結(jié)構(gòu)：

許多CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，常用的解決方法是采用開(kāi)關(guān)電容器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入采樣。這種輸入結(jié)構(gòu)的最基本形式由相對(duì)較小的電容器和模擬開(kāi)關(guān)組成，當(dāng)開(kāi)關(guān)設(shè)在位置1時(shí)，采樣電容器被充電至采樣節(jié)點(diǎn)的電壓，然后開(kāi)關(guān)切換至位置2，此時(shí)采樣電容器上累積的電荷被轉(zhuǎn)移至采樣電路的其它部分。這一過(guò)程不斷反復(fù)。

但是這種方法要加入緩沖器，不帶緩沖器的開(kāi)關(guān)電容器輸入可引起嚴(yán)重的系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。例如，將采樣電容器充電到適當(dāng)電壓所需的電流必須由連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端的外部電路提供。當(dāng)電容器切換到采樣節(jié)點(diǎn)(圖中的開(kāi)關(guān)位置1)時(shí)，對(duì)電容器進(jìn)行充電需要大電流。這一瞬態(tài)電流的大小是采樣電容器容值、電容開(kāi)關(guān)頻率和采樣節(jié)點(diǎn)電壓的函數(shù)。

當(dāng)設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端的模擬電路時(shí)，必須考慮這個(gè)開(kāi)關(guān)電流的影響。由于該電流可以通過(guò)任何電阻，所以將產(chǎn)生壓降，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生電壓誤差。如果轉(zhuǎn)換器的輸入端有高阻抗傳感器或高阻抗濾波器相連，那么這個(gè)誤差將非常大。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率更高時(shí)，放大器輸出阻抗將增大，因此必須仔細(xì)選擇放大器和相關(guān)電路才能解決瞬態(tài)開(kāi)關(guān)電流問(wèn)題。

不過(guò)，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率更高時(shí)，放大器輸出阻抗將增大，因此必須仔細(xì)選擇放大器和相關(guān)電路才能解決瞬態(tài)開(kāi)關(guān)電流問(wèn)題。

為盡可能減小外部電路的瞬態(tài)電流要求，可以設(shè)置一個(gè)內(nèi)部緩沖器。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成三種不同的狀態(tài)。在位置1處，采樣電容器被快速充電至采樣節(jié)點(diǎn)電壓(在本例中為VS)加上(或減去)緩沖器偏差(VOS)。在這一階段，對(duì)電容器充電所需的瞬態(tài)電流由內(nèi)部緩沖器電路提供。內(nèi)部緩沖器可被優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便在所要求的開(kāi)關(guān)頻率下提供低阻抗輸出，利用該開(kāi)關(guān)頻率可在指定時(shí)間對(duì)電容器進(jìn)行正確充電。然后，開(kāi)關(guān)被重新配置，在位置2處形成連接。

接著，采樣電容器被充電或放電，以便電容器電壓與采樣節(jié)點(diǎn)上的電壓相等。此時(shí)可能仍然存在少量開(kāi)關(guān)電流，但外部電路所需的電流將減少，這是由于電容器電壓已經(jīng)被充電至內(nèi)部緩沖器的偏置電壓范圍內(nèi)。最后，模擬開(kāi)關(guān)切換到位置3處，此時(shí)采樣后的電壓可被傳送至采樣電路的其余部分。帶緩沖器的開(kāi)關(guān)電容器輸入能夠大幅降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器外部電路的瞬態(tài)電流，這是它的優(yōu)點(diǎn)之一。在前一個(gè)例子中，采樣電容器的容值為10pF，開(kāi)關(guān)頻率為1MHz。假設(shè)內(nèi)部緩沖器的電壓偏置為10mV，這將產(chǎn)生僅100nA的瞬態(tài)電流，該數(shù)值比不帶緩沖的采樣輸入的瞬態(tài)電流小250倍。

審核編輯 黃昊宇