當(dāng)今的模擬系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨許多設(shè)計挑戰(zhàn)。設(shè)計工程師不僅僅需要選擇合適的IC元器件，而且他們必須地預(yù)測這些元器件在系統(tǒng)內(nèi)的相互作用。

　　從這一點上說，ADC可能引起特別困難的挑戰(zhàn)，提供了各種各樣在系統(tǒng)級必須考慮的不同的輸入采樣架構(gòu)。

　　本文將探討若干常見的輸入采樣架構(gòu)類型并討論每一個模型對系統(tǒng)的其它部分的牽涉作用。

　　在目前許多的CMOS ADC中，一種常見的解決方案就是采用開關(guān)電容濾波器來實現(xiàn)輸入采樣。在其基本的形式中，這種輸入結(jié)構(gòu)由比較小的電容和模擬開關(guān)組成。

　　圖1：目前一種常見的CMOS ADC解決方案采用開關(guān)電容濾波器結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)開關(guān)被配置在位置1時，采樣電容被充電到采樣節(jié)點的電壓，在這種情形下為Vs。開關(guān)然后被擲到位置2，在此，采樣電容上累計的電荷被轉(zhuǎn)移到采樣電路的其它部分。然后，該過程周而復(fù)始地進行。

　　系統(tǒng)級的問題

　　未經(jīng)緩沖的開關(guān)電容輸入可能引起嚴(yán)重的系統(tǒng)級問題。例如，把采樣電容充電到合適的電壓所需要的電流必須由連接到ADC輸入的外部電路提供。當(dāng)該電容被切換到采樣節(jié)點時，就需要大電流以開始給電容充電。這個瞬間電流的幅度是采樣電容的大小、采樣電容被切換的頻率及采樣節(jié)點上呈現(xiàn)的電壓的函數(shù)。

　　圖2：在ADC中的電阻提供傳感器隔離并改進ESD保護

　　這個開關(guān)電流由方程式：

　　Iin = CVf

　　描述，其中，C是采樣電容的容值，V是采樣節(jié)點上的電壓，f是采樣開關(guān)打開和關(guān)閉的頻率。該開關(guān)電流在采樣節(jié)點上產(chǎn)生大電流峰值。

　　當(dāng)設(shè)計ADC前端的模擬電路時，必須考慮這個開關(guān)電流的含意。因為該電流通過任何電阻時會出現(xiàn)電壓降，所以，在ADC的采樣節(jié)點上會引起電壓誤差。如果大阻抗傳感器或濾波器被連接到轉(zhuǎn)換器的輸入，該誤差可能變得足夠大。假設(shè)在ADC的前面放置一個電阻以提供傳感器隔離及改進的ESD保護。

　　圖3：采樣電容被充電或放電，以便電容上的電壓等于采樣節(jié)點上的電壓

　　在該例子中，采樣電容的數(shù)值為10pF，開關(guān)頻率為1MHz。利用上述方程式，計算出瞬態(tài)電流大約為25mA。因為該瞬態(tài)電流通過一個10K的電阻，所以，在采樣節(jié)點上將出現(xiàn)250mV的誤差電壓。這就是壞情況的近似，因為采樣節(jié)點可能在下一個采樣周期以前穩(wěn)定。

　　這個穩(wěn)定時間取決于由10K電阻與采樣電容形成的RC時間常數(shù)，以及在ADC輸入上的寄生電容。寄生電容可能歸因于ADC的引腳、電路板的布線長度和內(nèi)部MOS開關(guān)的電容。

　　可能需要外部緩沖電路來提供所需要的電流，并確保采樣節(jié)點適當(dāng)?shù)胤€(wěn)定以維持線性。

　　然而，放大器的輸出阻抗在較高的開關(guān)頻率會增加。當(dāng)選擇放大器及相關(guān)的電路來計算這個瞬態(tài)開關(guān)電流時要小心！

　　圖4：不論采用的架構(gòu)如何，ADC必須實現(xiàn)ESD保護

　　化瞬態(tài)電流

　　通過實現(xiàn)一個內(nèi)部緩沖器可以把對外部電路的瞬態(tài)電流的要求化。在這個實現(xiàn)方案中，模擬開關(guān)組合以形成三個不同的狀態(tài)。在位置1，采樣電容被快速地充電到采樣“節(jié)電電壓+或-緩沖偏置電壓”。

　　在這個階段期間，給電容充電所需要的瞬態(tài)電流由內(nèi)部的緩沖電路提供。內(nèi)部的緩沖器經(jīng)化設(shè)計，可以在所需要的開關(guān)頻率提供低阻抗的輸出，從而在所分配的時間對電容合適地充電。

　　開關(guān)然后被重新配置以創(chuàng)建在位置2的連接。在這個階段期間，采樣電容被直接連接到ADC的采樣節(jié)點。

　　采樣電容然后被充電或放電，以便電容上的電壓等于采樣節(jié)點上的電壓。一些開關(guān)電流可能仍然存在，但是，從外部電路吸取的電流較少，因為電容電壓已經(jīng)被充電到內(nèi)部緩沖器的偏置電壓之內(nèi)。

　　，模擬開關(guān)被配置到位置3，讓經(jīng)采樣的電壓被傳遞到采樣電路的其它部分。經(jīng)緩沖的開關(guān)電容的優(yōu)點在于極大地降低了ADC從外部電路吸取的瞬態(tài)電流。在更早的例子中，采樣電容為10pF，開關(guān)頻率為1MHz。

　　假設(shè)內(nèi)部緩沖器具有一個10mV的偏置電壓，這會導(dǎo)致僅僅為100nA的瞬態(tài)電流，與未經(jīng)緩沖的采樣輸入相比，瞬態(tài)電流被降低了250倍。

　　在一些情形下，一個固定增益或可編程增益放大器被集成到ADC前面的同一芯片之中。放大器不僅僅有助于減低必須由外部電路提供的開關(guān)電流，而且提供對模擬信號的放大。

　　此外，通過實現(xiàn)斬波穩(wěn)定放大器也可以降低1/f噪聲，1/f噪聲有時侯也被稱為閃爍噪聲。這種低頻噪聲歸因于在MOS三極管的溝道中由工藝技術(shù)引起的表面狀態(tài)。斬波可以消除1/f噪聲并降低對外部電流的要求。然而，一些輸入瞬態(tài)電流因MOS開關(guān)的不匹配而依然存在。

　　不論采用什么采樣架構(gòu)，ADC必須實現(xiàn)某種形式的ESD保護。對于CMOS解決方案，這種保護通常采用箝位二極管的形式。

　　這些箝位二極管有效地限制了可能被施加在轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部三極管上的電壓。如果輸入電壓上升或下降到電源軌加減一個二極管壓降以上(典型值為0.7V)，那么，二極管將開始導(dǎo)通電流并限制電壓。

　　然而，這些箝位二極管也存在電流泄漏，當(dāng)設(shè)計模擬輸入電路時必須予以考慮。雖然這種泄漏電流通常很小，但是，該電流可能作為溫度的函數(shù)而增加。