開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[3]

  這里要指出的是，在上述過程中，運(yùn)放的電源也會(huì)起很大的作用。在運(yùn)放對(duì)電容充電期間，瞬間需要較大的電流，而開關(guān)電源的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間不夠，將造成比較大的電源紋波，影響運(yùn)放的輸出。比如采用C1=10Cin=250pF，則當(dāng)SW從別的通道（假設(shè)為-5V）切到AI0通道（假設(shè)+5V）時(shí)，Cin從-5V切換到C1上的電壓+5V，C1迅速給Cin充電，最終電壓為（5V×10-5V）/11＝4.09V，運(yùn)放輸出要從5V變到4.09V，R1太小容易帶來(lái)運(yùn)放輸出穩(wěn)定性問題，同時(shí)也會(huì)對(duì)運(yùn)放輸出電流帶來(lái)沖擊，影響電源電壓。

  特別是在采用電荷泵給運(yùn)放-VCC提供小的負(fù)電源時(shí)，電荷泵輸出電壓隨負(fù)載增大而降低的特性使得效果更加明顯。比較發(fā)現(xiàn)，運(yùn)放采用直流線性穩(wěn)壓電源時(shí)，12位的ADC采集結(jié)果很穩(wěn)定，結(jié)果變動(dòng)可達(dá)1LSB以下；相比之下，采用電荷泵器件時(shí)，如果電荷泵輸出沒有大的濾波，ADC采集結(jié)果晃動(dòng)可達(dá)3LSB。如果增大R1為100Ω時(shí)，C1=10Cin，不考慮運(yùn)放輸出電阻時(shí)，需要運(yùn)放輸出電流的最大值為（5－4.09）V/100Ω＝9.1mA），小于一般運(yùn)放的最大輸出電流。但R1太大，將明顯降低ADC所能采集到的信號(hào)頻率，在ADC對(duì)該通道“跟蹤”期間，運(yùn)放無(wú)法完成對(duì)C1和Cin充電，使得該次采樣與運(yùn)放輸入端電壓相差較大，會(huì)造成諧波失真。

  解決辦法除了前文描述的以外，同時(shí)還可以采用以下方法：

  1.運(yùn)放的正負(fù)電源對(duì)地除并接一個(gè)10～22μF大電容以減少電源紋波外，再并接一個(gè)0.1～1μF的小陶瓷電容，以通過0.1～1μF高頻去耦電容的作用，避免負(fù)載電容的瞬間充電對(duì)電源的影響。效果類似于數(shù)字芯片電源和地之間加的去耦電容。

  2.增大圖2中ADC前端電阻R1，減小運(yùn)放的輸出電流，能起到一定的濾波作用。當(dāng)然R1大的話，將衰減通過運(yùn)放的信號(hào)。

  開關(guān)電源對(duì)參考源的影響及解決方法

  有的ADC芯片要外部提供參考源，這時(shí)外部參考源的供電，也需要參照前文所述的處理方法，采取在輸入端加濾波等措施。同時(shí)注意，對(duì)連續(xù)逼近（SAR）型ADC芯片，如TLC2543芯片，采樣、保持后的內(nèi)部每次電壓轉(zhuǎn)換，都需要將采集電壓和參考源的1/2、1/4、1/8等組合相比較，以確定相應(yīng)n位ADC結(jié)果的第（n-1）位、第（n-2）位等，參考源的分壓是通過電容實(shí)現(xiàn)的。

  這樣，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換每位均需要將參考源VREF通過開關(guān)接到相應(yīng)分壓電容上，對(duì)參考源而言，將看到一個(gè)變化的容性負(fù)載，從而產(chǎn)生了上文所說的問題。如果ADC芯片內(nèi)部沒有參考源緩沖電路，而外部參考源的容性負(fù)載能力又不夠時(shí)，需要在外部參考源輸出端，串一個(gè)緩沖器，再通過一個(gè)RC電路接到ADC芯片的參考源輸入端。其它處理方法，同上文所述，如在外部參考源的電源端，并接一個(gè)10～22μF大電容和一個(gè)0.1～1μF的小陶瓷電容等。

  本文小結(jié)

  本文雖然針對(duì)SAR型ADC進(jìn)行分析、處理，但其應(yīng)用原理，對(duì)各種ADC都有參考價(jià)值。仔細(xì)分析各個(gè)環(huán)節(jié)的工作原理，采取一定的對(duì)策，就能在模擬量采集系統(tǒng)中，使用廉價(jià)的開關(guān)電源，而又獲得極佳的采集性能。

[1]  [2]  [3]