简析ADC输入信号稳定时间挑战与改进技巧

在使用滤波器完成数据采集系统的设计时，工程师们往往需要面对一个棘手的问题，那就是测试结果又是无法达到所需要的技术要求，这往往是因为数据采集系统的失真而引起的。造成滤波器应用效果打折、数据采集失真的“罪魁祸首”之一，就是输入信号的不稳定。在今天的文章中，我们就来谈谈一谈输入信号稳定的改进技巧以及输入信号的不稳定如何影响失真性能的问题。

下图中，图1为我们展示了一个逐次逼近寄存器SAR模数转换器（ADC）输入电路的简化模型和内部采样电容器的时域充电响应。下面我们来展开分析。

图1 使信号稳定的电荷分布

结合这一ADC输入电路的简化模型电路和采样电容器的时域充电响应图，我们可以很明显的看到，在采集阶段，有一个电荷从输入信号源传输到ADC的内部采样电容器CSH内。而内部采样电容器上的VIN信号必须在采集时间，也就是tAQ内，至少稳定至最终值的最低有效位（LSB）的一半。很明显，如果输入源需要的稳定时间比tAQ长，在tACQ结束时，CSH上的残余电压误差将大于LSB的一半，并且ADC输出将会不准确。这就是导致工程师们在利用滤波器完成数据采样系统设计时，导致失真的原因了。下式式（1）所列出的是时域充电响应时间的计算公式。

但是，我们在这里所提到的失真，所指的并不仅仅是在某些输入电压值上观察到的准确性问题。失真表示ADC的输入与输出之间的非线性关系。换句话来说，ADC的传递曲线与这个方程式计算出的直线不一致，而这条直线在ADC输入范围内具有恒定斜率和截距。那么，ADC输入上的信号不稳定如何在ADC响应中产生失真或非线性呢？

解决这一问题，就是我们能否及时改善输入信号稳定情况的关键了。就目前的实际应用反馈结果来看，SAR ADC的大部分产品，都已经具有一个包含集成模拟采样开关的开关电容器输入结构。在这一开关电容器输入结构中，开关的导通电阻RON，具有一个相对于输入信号电压的非线性电阻。下图中，图2a显示的是典型RON值与互补金属氧化物半导体（CMOS）模拟开关的输入电压之间关系的曲线图。非线性导通电阻调制稳定时间常量，这样的话，如图2b所示，在tAQ结束时则输入正弦波与采样电容器上的信号之间的残余电压误差（VERR）也是非线性的。如果导通电阻是完全恒定的，误差曲线将是一条直线（如图3a和3b中所示），ADC输出上将不会出现失真。

（a）

（b）
图2

（a）

（b）
图3

在了解了造成输入信号不稳定的原因以及关键的改进方法后，接下来就让我们来看一个存在稳定问题的实际案例，并通过该例子来看一下如何利用上文中所介绍的方法，进行失真改进。出于成本和简化设计的原因，工业电力自动化应用不使用具有SAR ADC的前端放大器。图4显示了一个典型电路。

图4 无前端放大器的典型ADC电路

在已经了解了这一典型的ADC电路的系统结构后，我们使用一种带有滤波器的数据采集系统，对图4所示的电路进行测试，下图图5显示的是使用具有一个前端RC滤波器的16位、8通道ADS8568 SAR ADC的电路的AC性能。如图4所示，在电路中不使用有源滤波的情况下，更高的电阻值和电容值将获得更好的滤波器效果。然而，这会导致不太令人满意的总谐波失真（THD），这个值要远远劣于ADS8568数据表中-90dB的技术规格。一个二阶RC滤波器将使性能变得更加糟糕。造成这一问题的根本原因在于，输入信号VS在ADC的采集时间内，并未在采样电容器CSH上完全稳定。

图5 具有经简化前端RC滤波器的ADS8568的糟糕的AC性能

在已经了解了症结所在之后，面对图4中所存在的问题，我们可以用以下两个方法来解决这个稳定问题并提升整体性能。第一种方法是通过直接减少采样率来增加采样时间。我们可以用方程式1计算出真实的采样时间，通过减少采样率来增加tACQ_Real时间，这是因为ADC数据表中为（转换时间）指定了一个最大值（方程式2）：

下图中，图6显示了一个使用二阶滤波器后的经刷新测试结果。从图中可以明显看到，在把采样率从10Ksps调整为1Ksps后，AC性能从之前的-65.46dBc大大改进为-92dBc THD。

图6 采样时间增加后的测试结果

除了上面所提到的这一方法外，通过减少滤波器的阶数和减少XFLT/RFLT的值来加快稳定的办法，也同样是可以做到这一点的。对于单阶滤波器来说，通过将前端电容器的值从22nF减少到820pF，保持10kΩ电阻器不变，并使用同样的10Ksps采样率，THD从-70.97dBc提升到-96.88dBc。你可以通过使用更慢的1Ksps采样率来进一步将THD性能提高到-103.61dBc。下图中，图7显示的是采用该方法后测得的结果。需要注意的一点是，稳定时间改进与RC滤波影响之间的权衡。

图7 稳定改进之后的测试结果

其实目前针对带有滤波器的数据采集系统输入信号稳定性差的情况，有多种可以使其保持稳定并改善失真问题的方法。然而，在本文中我们所介绍的这两个方法是最简单的。在设计一个SAR ADC数据采集系统时，需要特别注意信号稳定这一问题。

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