高速高精度ADC的驱动电路

运放建立时间和压摆率

内部集成有采样保持电路的ADC或者是加了简单电容电阻采样保持器的数据采集电路，容易造成较大误差，使ADC损失精度。这主要是因为电路在ADC每次转换结束时，采样开关进行切换，采样电容切换到输入端开始下一次采样。前后两次采样的模拟量之间存在差值，相当于一个阶跃信号输入到运放的输出端，运放如果不能跟上阶跃信号，就会产生误差，当误差大于1LSB时就会造成ADC精度的损失。为避免这种误差，运算放大器应能够在下一次转换启动前，保证输入到ADC(采样/保持电路)的信号在误差带以内(重新建立)。运放能否快速重建，主要考虑它在大信号处理中的速度参数，比如建立时间和压摆率。为保证测量的可信度，考虑最差的情况：两次采样的模拟量之间相差电源电压5V，即假设采样开关切换后，相当于给运放加了一个5V的阶跃信号。

为保证采样的准确性，运放的建立时间与ADC的采样时间应匹配，即只有当ADC采样输入信号的时间长于最差情况下放大器的建立时间时，才能保证转换结果的精度。

对于12位的ADC，为避免误差，假定电压稳定后其误差应小于1/2LSB。每两次采样模拟量的差值作为ADC的输入，假设为Vi，满足最低要求的误差为Vi×a≤LSB/2=(1/2)×(5/212) , Vi最大为5V，所以5×a≤(1/2)×(5/212)，即a≤1/213=0.00012≈0.01%。也就是要充分利用ADC，满足精度要求，就要求运放的建立时间短于电压稳定在0.01%以内的时间。并且这个时间t应满足，t≤1/420KHz≈2.38mS(ADuC841的最高采样频率为420KHz)。虽然有很多现代的高速运放能够达到上述建立时间的要求，如OPA211，0.01%的建立时间不足1mS，但在设计ADC的驱动电路仍然需要给与足够的重视。

对于一个给定的输入信号幅度和放大器压摆率(SR)，可以求出一个信号频率最大值。在该频率范围内，信号可以被忠实地重建：，其中VP为峰值输出电压[7]。反过来，根据采样速率(fmax)和采样模拟量电压变化的幅值(VP)，也可以估算出，ADC对运放压摆率的要求。取输出电压的峰值为两次采样模拟量的差值(5V)，可重建的信号频率最大值取420KHz(ADuC841的最高采样率)，经计算得SR=2pVP·fMAX=2p·5V·0.42MHz=13.19V/mS。目前高速运放达到上述压摆率也比较容易。如ADI公司的OPA211达到了22V/mS的压摆率。

结语

本文根据目前数据采集系统不断提高的速度和分辨率及非线性电容输入结构等的要求，对高速高精度数据采集系统中两种抗混叠滤波器对驱动放大器的要求进行了分析。分析了无源抗混叠滤波器对前级放大电路的运放驱动能力的要求，得出理论上无源抗混叠滤波电路精度低，不能充分利用ADC精度和速度，不适用于高速高精度数据采集系统。进而本文对有源抗混叠滤波电路对驱动运放的要求，进行了分析，分别从高频参数单位增益带宽和高速参数建立时间，压摆率以及运放的电流驱动能力，分析了系统对驱动放大器的要求。这些分析，为高速高精度信号采集系统中设计有源抗混叠滤波电路提供了很有意义的参考。