设计输入采样结构要考虑的几个因素

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模拟系统设计不仅需要选择正确的IC元件,还必须准确地预测这些元件在系统内的相互影响。从这点来看,模数转换器的设计是一个巨大挑战,因为它具有必须在系统级加以考虑的各种不同的输入采样结构。下面介绍下几种基本结构:

许多CMOS模数转换器中,常用的解决方法是采用开关电容器结构实现输入采样。这种输入结构的最基本形式由相对较小的电容器和模拟开关组成,当开关设在位置1时,采样电容器被充电至采样节点的电压,然后开关切换至位置2,此时采样电容器上累积的电荷被转移至采样电路的其它部分。这一过程不断反复。

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但是这种方法要加入缓冲器,不带缓冲器的开关电容器输入可引起严重的系统级问题。例如,将采样电容器充电到适当电压所需的电流必须由连接到模数转换器输入端的外部电路提供。当电容器切换到采样节点(图中的开关位置1)时,对电容器进行充电需要大电流。这一瞬态电流的大小是采样电容器容值、电容开关频率和采样节点电压的函数。

当设计模数转换器前端的模拟电路时,必须考虑这个开关电流的影响。由于该电流可以通过任何电阻,所以将产生压降,在模数转换器的采样节点处产生电压误差。如果转换器的输入端有高阻抗传感器或高阻抗滤波器相连,那么这个误差将非常大。当开关频率更高时,放大器输出阻抗将增大,因此必须仔细选择放大器和相关电路才能解决瞬态开关电流问题。

不过,当开关频率更高时,放大器输出阻抗将增大,因此必须仔细选择放大器和相关电路才能解决瞬态开关电流问题。

为尽可能减小外部电路的瞬态电流要求,可以设置一个内部缓冲器。在这个实现方案中,模拟开关构成三种不同的状态。在位置1处,采样电容器被快速充电至采样节点电压(在本例中为VS)加上(或减去)缓冲器偏差(VOS)。在这一阶段,对电容器充电所需的瞬态电流由内部缓冲器电路提供。内部缓冲器可被优化设计,以便在所要求的开关频率下提供低阻抗输出,利用该开关频率可在指定时间对电容器进行正确充电。然后,开关被重新配置,在位置2处形成连接。

接着,采样电容器被充电或放电,以便电容器电压与采样节点上的电压相等。此时可能仍然存在少量开关电流,但外部电路所需的电流将减少,这是由于电容器电压已经被充电至内部缓冲器的偏置电压范围内。最后,模拟开关切换到位置3处,此时采样后的电压可被传送至采样电路的其余部分。带缓冲器的开关电容器输入能够大幅降低模数转换器外部电路的瞬态电流,这是它的优点之一。在前一个例子中,采样电容器的容值为10pF,开关频率为1MHz。假设内部缓冲器的电压偏置为10mV,这将产生仅100nA的瞬态电流,该数值比不带缓冲的采样输入的瞬态电流小250倍。

 

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设计输入采样结构要考虑的几个因素

许多CMOS模数转换器中,常用的解决方法是采用开关电容器结构实现输入采样。这种输入结构的最基本形式由相对较小的电容器和模拟开关组成,当开关设在位置1时,采样电容器被充电至采样节点的电压,然后开关切换至位置2,此时采样电容器上累积的电荷被转移至采样电路的其它部分。这一过程不断反复。