于高性能 ADC，在信號(hào)鏈中添加任何元件都會(huì)降低整體設(shè)備性能。
　　設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括選擇硅工藝、電路設(shè)計(jì)、布局和 IC 封裝，以優(yōu)化電壓偏移、增益、信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD) 等規(guī)格。添加傳統(tǒng)緩沖器會(huì)影響這些規(guī)格，而且很多時(shí)候，這些緩沖器成為高性能 ADC 中的主要誤差源。傳統(tǒng)緩沖器的一種替代方案是預(yù)充電緩沖器，如圖1所示。本文將重點(diǎn)介紹預(yù)充電緩沖器在模擬輸入路徑和參考輸入路徑中的使用和優(yōu)勢(shì)?！　×私?ADC 中預(yù)充電緩沖器的好處

　　圖 1預(yù)充電緩沖器如何補(bǔ)充 24 位、400 KSPS ADS127L11 寬帶 delta-sigma ADC。德州儀器
　　簡(jiǎn)化輸入放大器驅(qū)動(dòng)要求的一種方法是在 ADC 輸入端使用電荷桶濾波器，其中差分電容比內(nèi)部采樣電容大。這個(gè)簡(jiǎn)單的電阻電容網(wǎng)絡(luò)（在圖 2中表示為 R filt和 C filt ）充當(dāng)電荷儲(chǔ)存器，以提供輸入采樣電容 C in所需的大部分瞬時(shí)電流。外部濾波電容 C filt將峰值輸入電流從相對(duì)較高的電流脈沖（大約幾十毫安）降低到小于 1 毫安的峰值，平均電流為幾百微安。
　　使用大型外部輸入電容來(lái)降低峰值電流還可以降低輸入放大器的高帶寬要求，從而提供更廣泛的放大器選擇。這些額外的放大器選項(xiàng)使設(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)低功耗、直流性能和許多其他設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。
　　然而，使用大型外部輸入電容器的一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)限制最大輸入信號(hào)頻率。它是一個(gè)一階低通電阻-電容器 RC 濾波器。另一個(gè)缺點(diǎn)是電容器阻抗在較高輸入頻率下變得非常低，導(dǎo)致高電流流過(guò)電容器。來(lái)自輸入放大器的高電流會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率耗散增加，這對(duì)于高密度或電池供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可能過(guò)大。
　　許多低功耗精密放大器可能無(wú)法支持高電流并保持良好的 SNR 和 THD。對(duì)于極低頻率的輸入信號(hào)或直流輸入，使用大型輸入濾波電容可能是一種可接受的方法，但對(duì)于 10 kHz 或更高的輸入頻率，負(fù)載電流和由此產(chǎn)生的功耗可能會(huì)變得高得令人無(wú)法接受。
　　預(yù)充電緩沖器的設(shè)計(jì)靈活性
　　另一個(gè)可以放寬輸入放大器驅(qū)動(dòng)要求且不會(huì)降低 ADC 總精度的選項(xiàng)是預(yù)充電緩沖器。預(yù)充電緩沖器是專用放大器，它在采集周期的第一部分對(duì) ADC 的內(nèi)部采樣電容器充電，然后在采集周期的后半部分?jǐn)嚅_連接，以實(shí)現(xiàn) ADC 輸入和內(nèi)部采樣電容器之間的直接連接。在采集階段的最后一部分將內(nèi)部采樣電容器直接連接到輸入端可消除信號(hào)路徑中預(yù)充電緩沖器中的任何錯(cuò)誤。使用預(yù)充電緩沖器可將外部輸入放大器上的總動(dòng)態(tài)負(fù)載降低 99% 以上。
　　預(yù)充電緩沖器的另一個(gè)好處是，與高帶寬外部輸入放大器結(jié)合使用時(shí)，總諧波失真 (THD) 更低。除了高速輸入放大器外，使用預(yù)充電緩沖器可以將總 THD 提高 10 dB 或更多。代價(jià)是額外的功耗（因?yàn)楦咚俜糯笃骱蛢?nèi)部預(yù)充電緩沖器都啟用）與優(yōu)先考慮較低失真或較低功率的靈活性?！　×私?ADC 中預(yù)充電緩沖器的好處

　　圖 2帶有內(nèi)部預(yù)充電緩沖器的全差分輸入放大器顯示在典型的高級(jí)信號(hào)鏈中。
　　預(yù)充電緩沖器的主要缺點(diǎn)是，在采集階段的后半段，完成對(duì)內(nèi)部采樣電容器充電所需的動(dòng)態(tài)電流很小。但是，該動(dòng)態(tài)電流不到不啟用預(yù)充電緩沖器直接驅(qū)動(dòng)輸入采樣電容器所需電流的 1%。而且，它允許使用帶寬低得多的放大器和更小的輸入濾波電容。
　　圖 2 顯示了典型的高級(jí)信號(hào)鏈，其中使用外部輸入放大器和內(nèi)部預(yù)充電緩沖器對(duì) C 進(jìn)行充電，而圖 3 則重點(diǎn)介紹了預(yù)充電緩沖器的時(shí)序細(xì)節(jié)?！　×私?ADC 中預(yù)充電緩沖器的好處

　　圖 3粗采樣和精采樣階段的輸入采樣電容電壓 (V cin )。
　　AIN-Coarse、AIN-Fine 和 AIN-Reset 是內(nèi)部開關(guān)控制信號(hào)。內(nèi)部開關(guān)在控制電平為 1 時(shí)打開，在控制電平為 0 時(shí)關(guān)閉。查看 V cin波形（內(nèi)部采樣保持電容器兩端的電壓），您可以看到預(yù)充電緩沖器如何將輸入電容器電壓充電至最終目標(biāo)值的約 99.9%，即 AIN-Coarse = 1 階段的 3.98 V。外部輸入放大器只需在 AIN-Fine = 1 階段將內(nèi)部采樣電容器充電至最終輸入電壓 4 V。
　　預(yù)充電緩沖器如何優(yōu)化輸入電流
　　如前所述，預(yù)充電緩沖器可降低驅(qū)動(dòng)輸入所需的平均輸入電流。在啟用預(yù)充電緩沖器的情況下，可以推導(dǎo)出平均輸入電流的公式，但讓我們首先推導(dǎo)出不使用預(yù)充電緩沖器直接驅(qū)動(dòng)輸入時(shí)的平均輸入電流的公式。平均輸入電流的公式 1 基于我們熟悉的電容器總電荷公式：
　　Qin = Cin ×Vin （1                      ）
　　其中 Q in是 C in上的總電荷，V in是采集周期結(jié)束時(shí)采樣電容器的電壓，它大約等于 ADC 輸入端的電壓。
　　由于采樣電容在轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)復(fù)位為 0 V，因此可以按照公式 2 所示表示平均輸入電流：
　　I avg = Q in × F mod                   （2）
　　其中 F mod是調(diào)制器采樣率或 ADC 輸入處的采樣頻率。
　　對(duì)于ADS127L11 delta-sigma ADC，當(dāng)使用高速模式時(shí)，調(diào)制器采樣率等于主時(shí)鐘頻率 F clk的一半。將公式 3 和公式 4 代入公式 2 可得出公式 5：
　　Qin = Cin ×Vin （3                                   ）
　　F mod = ? × F clk                    （4）
　　Iavg = ? × F clk × C in × V in                                ( 5 )
　　使用預(yù)充電緩沖器時(shí)，外部輸入放大器提供的電荷是輸入電容上總電荷的一小部分。在公式 6、7 和 8 中，G 表示預(yù)充電緩沖器的增益，理想值 G = 1，典型范圍為 0.995 < G < 1.005。如果將 AIN-coarse 階段結(jié)束時(shí)輸入電容充電到的電壓表示為 V in-coarse，則預(yù)充電緩沖器提供的電荷為：
　　Q粗= V粗×C （                                    6）
　　V粗略= G×V in                              （7）
　　將公式 7 代入公式 6 可得出公式 8：
　　Q粗= G×V × C （                                      8）
　　由于采集階段結(jié)束時(shí)輸入電容器上的總電荷為 C in × V in，因此可以將輸入端直接提供的電荷表示為 Q fine，如公式 9 和 10 所示：
　　Q總= C輸入×V輸入                                （9）
　　Q總= Q粗+ Q精                                       (10)
　　重新排列公式 10 可得到公式 11：
　　Q精加工= Q總加工– Q粗加工                                        （11）
　　將公式 8 和 9 代入公式 11 可得出公式 12 和 13：
　　Q精度=V精度×C精度-G精度×V精度×C精度                                        (12)
　　Q精加工= (1-G) × C精加工× V精加工                                 (13)
　　將公式 13 和 4 代入公式 2 可得出公式 14，即使用預(yù)充電輸入緩沖器時(shí)的平均輸入電流。
　　I平均預(yù)充電= ? × F clk × (1-G) × C in × V in                                    (14)
　　將公式 5 代入公式 14 可得出公式 15。我們現(xiàn)在可以看到，沒(méi)有預(yù)充電緩沖器的平均輸入電流 I avg現(xiàn)已減少了 (1-G) 倍，其中對(duì)于 ADS127L11 delta-sigma ADC，G 的典型范圍為 0.995 < G < 1.005：
　　I平均預(yù)充電= (1-G) × I平均                 (15)
　　外部濾波電容器 C filt提供大部分峰值電流，但外部輸入放大器仍必須驅(qū)動(dòng)大量動(dòng)態(tài)電流。與平均電流的減少非常相似，峰值電流也大幅下降。峰值電流的這種減少通常會(huì)降低總失真，這就是為什么使用預(yù)充電緩沖器和高速輸入放大器可以提供更好的系統(tǒng)性能的原因。
　　峰值輸入電流受內(nèi)部 AIN-Fine 開關(guān)電阻 Rsw 限制，可使用公式 16 計(jì)算。對(duì)于 ADS127L11，流入 AINP 和 AINN 端子的差分輸入開關(guān)電阻通常為 165 Ω。當(dāng)輸入電壓為 4 V 且無(wú)預(yù)充電緩沖器時(shí)，每個(gè)周期產(chǎn)生的峰值電流 I peak接近 24 mA（公式 17），這對(duì)于大多數(shù)精密放大器來(lái)說(shuō)相當(dāng)高。這就是為什么需要使用輸入濾波器來(lái)提供大部分峰值電流的原因。
　　I峰值=V輸入/Rsw （             16）
　　I峰值=4V/165?=24mA（17）
　　使用預(yù)充電緩沖器時(shí)，輸入采樣電容電壓的值非常接近 AIN-Fine 開關(guān)關(guān)閉時(shí)的輸入電壓 - 在預(yù)充電緩沖器的增益誤差范圍內(nèi)。在 G = 0.995 的情況下，預(yù)充電緩沖器會(huì)在直接連接到 ADC 輸入之前將輸入電容電壓充電至約 3.98 V。產(chǎn)生的峰值輸入電流現(xiàn)在約為 121 μA，可以使用公式 18 中的這些值找到。結(jié)果如公式 19 和 20 所示。
　　I峰值=（Vin - Vcin ）/ Rsw （                18）
　　I峰值=（4V-3.98V）/165?（19）
　　I峰值= 121μA（20）
　　由于平均和峰值輸入電流均有所降低，預(yù)充電緩沖器可使用帶寬小于 10 MHz 的外部輸入放大器。這提供了更多的放大器選擇，從而可以優(yōu)化低頻噪聲、寬帶噪聲、失調(diào)電壓和其他應(yīng)用規(guī)格。
　　參考輸入的預(yù)充電緩沖器
　　ADS127L11 delta-sigma ADC 還具有用于參考輸入的集成預(yù)充電緩沖器。與輸入預(yù)充電緩沖器非常相似，參考輸入預(yù)充電緩沖器可降低峰值和平均輸入電流。對(duì)于 ADS127L11，使用典型的 4.096 V 外部參考電壓，在高速模式下以 25.6 MHz 輸入時(shí)鐘頻率運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有預(yù)充電緩沖器的平均輸入電流為 778 μA。大多數(shù)參考可以輕松驅(qū)動(dòng) 778 μA 的平均電流，但許多系統(tǒng)使用多個(gè) ADC 通道，有八個(gè)或更多通道。
　　對(duì)于八通道系統(tǒng)，總基準(zhǔn)電流將為 8 × 778 μA，即總共 6.2 mA，這對(duì)于精密基準(zhǔn)來(lái)說(shuō)相當(dāng)高。例如，REF6041 的最大輸出電流為 4 mA，因此在這種情況下，單個(gè)基準(zhǔn)無(wú)法驅(qū)動(dòng)八個(gè) ADC 基準(zhǔn)輸入。REF7025是另一個(gè)不錯(cuò)的選擇，具有出色的低頻噪聲和非常低的長(zhǎng)期漂移。雖然 REF70 系列的最大輸出電流為 10 mA，但為了使用此基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)最高精度，輸出電流應(yīng)盡可能低。
　　使用內(nèi)部參考預(yù)充電緩沖器解決了這一限制，因?yàn)槠骄斎腚娏鹘抵撩總€(gè) ADC 2 μA。單個(gè)參考可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)通道，而無(wú)需擔(dān)心過(guò)載，無(wú)需額外的外部放大器，并降低了整體電路板尺寸和成本。圖 4顯示了使用單個(gè)參考驅(qū)動(dòng)多個(gè)帶有集成參考預(yù)充電緩沖器的 ADC 的典型連接。

　　圖 4使用內(nèi)部預(yù)充電緩沖器的多個(gè) ADC 的典型參考連接。
　　根據(jù)設(shè)計(jì)中使用的參考和輸入放大器，您可能不需要內(nèi)部預(yù)充電緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)所選的整體系統(tǒng)規(guī)格。但是，啟用內(nèi)部預(yù)充電緩沖器的選項(xiàng)在選擇外部組件時(shí)提供了更大的靈活性，從而提供了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一個(gè)工具。