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揭秘高性能多路復用數據采集系統
高通道密度數據采集系統用于醫療成像、工業過程控制、自動測試設備和40G/100G光通信系統可將眾多傳感器的信號多路復用至少量ADC，隨后依序轉換每一通道。 多路復用可讓每個系統使用更少的ADC，大幅降低功耗、尺寸和成本。逐次逼近型ADC——通常根據它們的逐次逼近型寄存器而稱它們為SAR ADC——具有低延遲特性，因此適合用于要求對滿量程輸入階躍（zui差情況）作出快速響應而無任何建立時間問題的多路復用系統。 易于使用的SAR ADC提供低功耗和小尺寸。 本文重點討論與使用高性能精密SAR ADC的多路復用數據采集系統相關的關鍵設計考慮因素、性能結果和應用挑戰。
多路復用數據采集系統挑戰
多路復用數據采集系統要求采用寬帶放大器，以便驅動ADC的滿量程(FS)輸入范圍時可以快速建立。 此外，對多路復用通道進行開關和順序采樣必須與ADC轉換周期同步。 相鄰輸入之間的巨大電壓差使這些系統易受通道間串擾的影響。 為了避免產生誤差，完整的信號鏈（包括多路復用器和放大器）必須建立至所需精度——一般以串擾誤差或建立誤差表示。 圖1顯示的是一個數據采集系統框圖，該系統包括多路復用器、ADC驅動器和SAR ADC。
圖1. 多路復用數字采集系統框圖
多路復用器
多路復用器的快速輸入切換和寬帶寬性能是實現高性能的關鍵。 多路復用器的開啟或關斷時間表示應用數字控制輸入與輸出超過VOUT90%之間的延遲，如圖2所示。
圖2. 典型多路復用器的開關時間
當多路復用器切換通道時，在其輸入端會產生電壓毛刺或反沖。 該反沖與開啟和關斷時間、導通電阻以及負載電容成函數關系。 具有低導通電阻的大開關通常需采用大輸出電容，而每次輸入端開關時，都必須將其充電至新電壓。 如果輸出未能建立至新電壓，則將產生串擾誤差。 因此，多路復用器帶寬必須足夠大，且多路復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，流過導通電阻的漏電流將產生增益誤差，因此這兩者都應盡可能小。
ADC驅動器
開關多路復用器的輸入通道時，ADC驅動放大器必須在的采樣周期內建立一個大電壓階躍。 輸入可從負滿量程變化到正滿量程，也可能從正滿量程變化到負滿量程，因此短時間內可創建大輸入電壓階躍。 放大器必須具備較寬的大信號帶寬和較快的建立時間，才能處理該階躍。 此外，壓擺率或輸出限流會導致非線性特征。 同時，驅動放大器必須建立反沖——該反沖是由于采集周期開始時，SAR ADC輸入端的充電再平衡所導致。 這可能會成為多路復用系統中輸入建立的瓶頸。 通過降低ADC的吞吐速率可緩解建立時間問題，提供更長的采集時間，從而允許放大器有充分時間建立至所需精度。
圖3顯示輸入端發生滿量程變化時，多路復用數據采集系統的時序圖。 ADC周期時間由轉換時間和采集時間構成 (tCYC= tCONV + tACQ)，其在數據手冊中通常為1/吞吐速率。 轉換開始時，SAR ADC的電容DAC與輸入斷開連接，且多路復用器通道可在一個較短的開關延遲時間tS之后切換到下一通道。 這樣，便可有盡可能多的時間來建立至選定通道。 為了保證zui大吞吐速率下的性能，多路復用系統中的所有元器件都必須在多路復用器切換和采集時間結束之間這段時間內完成ADC輸入端的建立。 多路復用器通道開關必須與ADC轉換時間正確同步。 多路復用系統可實現的吞吐速率等于單一ADC吞吐速率除以采樣通道數。
圖3. 多路復用數據采集系統典型時序圖
多路復用器輸入端的RC濾波器
某些設計人員使用低輸出阻抗緩沖器處理來自多路復用器輸入端的反沖。 SAR ADC的輸入帶寬（幾十MHz）和ADC驅動器的輸入帶寬（幾十到幾百MHz）高于采樣頻率，且所需的輸入信號帶寬通常為幾十到幾百kHz范圍內，因此多路復用器輸入端可能需使用RC抗混疊濾波器，以防干擾信號（混疊）折回目標帶寬，并緩解建立時間問題。 每個輸入通道使用的濾波器電容值都應根據下列權衡條件仔細選擇： 大電容有助于衰減來自多路復用器的反沖，但大電容也會降低之前放大器級的相位裕量，使其不穩定。 對于高Q、低溫度系數以及各種電壓下電氣特性穩定的RC濾波器，建議采用C0G或NP0類電容。 應選用合理的串聯電阻值，以保持放大器穩定并限制其輸出電流。 電阻值不可過高，否則多路復用器反沖后放大器將無法對電容再充電。
多路復用數據采集信號鏈
圖4顯示多路復用數據采集系統的簡化信號鏈。 采用ADG774ADG774 CMOS多路復用器來選擇兩個差分通道之一。 若要評估此系統，可連續開關ADG774的正負差分輸入，以產生滿量程階躍。 兩個超低失真運算放大器ADA4899-1緩沖多路復用器輸出，并驅動18位、5 MSPS PulSAR ADC AD7960。 RC濾波器(33 Ω/56 pF)有助于減少來自AD7960容性DAC輸入端的反沖，并限制進入AD7960輸入端的噪聲。
圖4. 多路復用數據采集系統簡化信號鏈
四通道2:1 CMOS多路復用器ADG774具有快速開關速度(tON= 7 ns, tOFF = 4 ns)、低導通電阻(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固定基準電壓源和地，從而輸出應從正滿量程擺動到負滿量程。 圖5顯示典型的導通電阻與輸入電壓關系曲線，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℃。 該性能水平可確保快速開關信號時擁有出色的線性度和低失真性能。
圖5. ADG774導通電阻與輸入電壓的關系
ADG774的輸出連接至高輸入阻抗放大器級。 ADA4899-1高速運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，具有足夠的裕量實現低系統噪聲和失真。 如圖6所示，在2 V p-p輸入信號時，放大器的0.1%建立時間為50 ns，是驅動AD7960的理想之選。