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揭秘高性能多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
高通道密度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于醫(yī)療成像、工業(yè)過(guò)程控制、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和40G/100G光通信系統(tǒng)可將眾多傳感器的信號(hào)多路復(fù)用至少量ADC，隨后依序轉(zhuǎn)換每一通道。 多路復(fù)用可讓每個(gè)系統(tǒng)使用更少的ADC，大幅降低功耗、尺寸和成本。逐次逼近型ADC——通常根據(jù)它們的逐次逼近型寄存器而稱它們?yōu)镾AR ADC——具有低延遲特性，因此適合用于要求對(duì)滿量程輸入階躍（zui差情況）作出快速響應(yīng)而無(wú)任何建立時(shí)間問(wèn)題的多路復(fù)用系統(tǒng)。 易于使用的SAR ADC提供低功耗和小尺寸。 本文重點(diǎn)討論與使用高性能精密SAR ADC的多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素、性能結(jié)果和應(yīng)用挑戰(zhàn)。
多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)挑戰(zhàn)
多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求采用寬帶放大器，以便驅(qū)動(dòng)ADC的滿量程(FS)輸入范圍時(shí)可以快速建立。 此外，對(duì)多路復(fù)用通道進(jìn)行開關(guān)和順序采樣必須與ADC轉(zhuǎn)換周期同步。 相鄰輸入之間的巨大電壓差使這些系統(tǒng)易受通道間串?dāng)_的影響。 為了避免產(chǎn)生誤差，完整的信號(hào)鏈（包括多路復(fù)用器和放大器）必須建立至所需精度——一般以串?dāng)_誤差或建立誤差表示。 圖1顯示的是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)包括多路復(fù)用器、ADC驅(qū)動(dòng)器和SAR ADC。
圖1. 多路復(fù)用數(shù)字采集系統(tǒng)框圖
多路復(fù)用器
多路復(fù)用器的快速輸入切換和寬帶寬性能是實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。 多路復(fù)用器的開啟或關(guān)斷時(shí)間表示應(yīng)用數(shù)字控制輸入與輸出超過(guò)VOUT90%之間的延遲，如圖2所示。
圖2. 典型多路復(fù)用器的開關(guān)時(shí)間
當(dāng)多路復(fù)用器切換通道時(shí)，在其輸入端會(huì)產(chǎn)生電壓毛刺或反沖。 該反沖與開啟和關(guān)斷時(shí)間、導(dǎo)通電阻以及負(fù)載電容成函數(shù)關(guān)系。 具有低導(dǎo)通電阻的大開關(guān)通常需采用大輸出電容，而每次輸入端開關(guān)時(shí)，都必須將其充電至新電壓。 如果輸出未能建立至新電壓，則將產(chǎn)生串?dāng)_誤差。 因此，多路復(fù)用器帶寬必須足夠大，且多路復(fù)用器輸入端必須使用緩沖放大器或大電容，才能建立至滿量程階躍。 此外，流過(guò)導(dǎo)通電阻的漏電流將產(chǎn)生增益誤差，因此這兩者都應(yīng)盡可能小。
ADC驅(qū)動(dòng)器
開關(guān)多路復(fù)用器的輸入通道時(shí)，ADC驅(qū)動(dòng)放大器必須在的采樣周期內(nèi)建立一個(gè)大電壓階躍。 輸入可從負(fù)滿量程變化到正滿量程，也可能從正滿量程變化到負(fù)滿量程，因此短時(shí)間內(nèi)可創(chuàng)建大輸入電壓階躍。 放大器必須具備較寬的大信號(hào)帶寬和較快的建立時(shí)間，才能處理該階躍。 此外，壓擺率或輸出限流會(huì)導(dǎo)致非線性特征。 同時(shí)，驅(qū)動(dòng)放大器必須建立反沖——該反沖是由于采集周期開始時(shí)，SAR ADC輸入端的充電再平衡所導(dǎo)致。 這可能會(huì)成為多路復(fù)用系統(tǒng)中輸入建立的瓶頸。 通過(guò)降低ADC的吞吐速率可緩解建立時(shí)間問(wèn)題，提供更長(zhǎng)的采集時(shí)間，從而允許放大器有充分時(shí)間建立至所需精度。
圖3顯示輸入端發(fā)生滿量程變化時(shí)，多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)序圖。 ADC周期時(shí)間由轉(zhuǎn)換時(shí)間和采集時(shí)間構(gòu)成 (tCYC= tCONV + tACQ)，其在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常為1/吞吐速率。 轉(zhuǎn)換開始時(shí)，SAR ADC的電容DAC與輸入斷開連接，且多路復(fù)用器通道可在一個(gè)較短的開關(guān)延遲時(shí)間tS之后切換到下一通道。 這樣，便可有盡可能多的時(shí)間來(lái)建立至選定通道。 為了保證zui大吞吐速率下的性能，多路復(fù)用系統(tǒng)中的所有元器件都必須在多路復(fù)用器切換和采集時(shí)間結(jié)束之間這段時(shí)間內(nèi)完成ADC輸入端的建立。 多路復(fù)用器通道開關(guān)必須與ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間正確同步。 多路復(fù)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的吞吐速率等于單一ADC吞吐速率除以采樣通道數(shù)。
圖3. 多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型時(shí)序圖
多路復(fù)用器輸入端的RC濾波器
某些設(shè)計(jì)人員使用低輸出阻抗緩沖器處理來(lái)自多路復(fù)用器輸入端的反沖。 SAR ADC的輸入帶寬（幾十MHz）和ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入帶寬（幾十到幾百M(fèi)Hz）高于采樣頻率，且所需的輸入信號(hào)帶寬通常為幾十到幾百kHz范圍內(nèi)，因此多路復(fù)用器輸入端可能需使用RC抗混疊濾波器，以防干擾信號(hào)（混疊）折回目標(biāo)帶寬，并緩解建立時(shí)間問(wèn)題。 每個(gè)輸入通道使用的濾波器電容值都應(yīng)根據(jù)下列權(quán)衡條件仔細(xì)選擇： 大電容有助于衰減來(lái)自多路復(fù)用器的反沖，但大電容也會(huì)降低之前放大器級(jí)的相位裕量，使其不穩(wěn)定。 對(duì)于高Q、低溫度系數(shù)以及各種電壓下電氣特性穩(wěn)定的RC濾波器，建議采用C0G或NP0類電容。 應(yīng)選用合理的串聯(lián)電阻值，以保持放大器穩(wěn)定并限制其輸出電流。 電阻值不可過(guò)高，否則多路復(fù)用器反沖后放大器將無(wú)法對(duì)電容再充電。
多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈
圖4顯示多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈。 采用ADG774ADG774 CMOS多路復(fù)用器來(lái)選擇兩個(gè)差分通道之一。 若要評(píng)估此系統(tǒng)，可連續(xù)開關(guān)ADG774的正負(fù)差分輸入，以產(chǎn)生滿量程階躍。 兩個(gè)超低失真運(yùn)算放大器ADA4899-1緩沖多路復(fù)用器輸出，并驅(qū)動(dòng)18位、5 MSPS PulSAR ADC AD7960。 RC濾波器(33 Ω/56 pF)有助于減少來(lái)自AD7960容性DAC輸入端的反沖，并限制進(jìn)入AD7960輸入端的噪聲。
圖4. 多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)化信號(hào)鏈
四通道2:1 CMOS多路復(fù)用器ADG774具有快速開關(guān)速度(tON= 7 ns, tOFF = 4 ns)、低導(dǎo)通電阻(RON = 2.2 Ω), 、寬帶寬(f–3dB = 240 MHz)以及低功耗(5 nW)，是便攜式和電池供電型儀器儀表的理想之選。 ADG774的輸入端連接5 V固定基準(zhǔn)電壓源和地，從而輸出應(yīng)從正滿量程擺動(dòng)到負(fù)滿量程。 圖5顯示典型的導(dǎo)通電阻與輸入電壓關(guān)系曲線，該曲線輸入電壓范圍為完整的0V至5V模擬輸入，溫度范圍為–40℃至+85℃。 該性能水平可確?？焖匍_關(guān)信號(hào)時(shí)擁有出色的線性度和低失真性能。
圖5. ADG774導(dǎo)通電阻與輸入電壓的關(guān)系
ADG774的輸出連接至高輸入阻抗放大器級(jí)。 ADA4899-1高速運(yùn)算放大器具有超低噪聲(1 nV/√Hz)和超低失真(-117 dBc)、600 MHz帶寬以及310 V/μs壓擺率性能。 該器件采用+7 V和-2.5 V電源供電，具有足夠的裕量實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲和失真。 如圖6所示，在2 V p-p輸入信號(hào)時(shí)，放大器的0.1%建立時(shí)間為50 ns，是驅(qū)動(dòng)AD7960的理想之選。