從 ADC 的設計學習設計 ADC

先前一直在找言簡意賅的 ADC(Analog to Dignal Conversion)設計教學手冊之類的東西,結果無意間發現了 TI 的 ADS8688 這一顆 ADC,它的規格書根本就是一本《ADC 設計實務》。

先看到 ADS8688 的幾個特色:

  • 16 bit、500 kSps 的 SAR ADC + 整合型的類比前端
  • 內建 8 頻道的多工器(multiplexer)
  • 可程式化的輸入範圍,最大到 ±10.24V 或 0~+10.24V
  • 僅需一個 5V 的類比電源
  • 恆定的 1MΩ 的大輸入阻抗
  • 輸入過壓保護(±20V)
  • 串列阜(SPI)
  • 小封裝(TSSOP)、低功耗(65mW)、大操作溫度(–40℃ 至 125℃)

(以下圖片都是取自 TI 的 ADS8688 的規格書)

ads8688

從上面的功能圖就能大致了解這顆 IC 的設計,除此之外,這也是一個很好的低頻+多輸入的 A/D 設計範本。不過接下來的內容並不討論 IC 本身的能力,僅就大架構著手。

輸入阻抗

ADS8688 的任一頻道的輸入阻抗是恆定的 1MΩ,不隨取樣率、取樣範圍與輸入頻率改變,其優點就是對於訊源的要求不高。也就是說,即使不經放大器處理過,也能維持一定的量測品質。

若單看 ADC 的驅動單元(ADC driver),其輸入端也建議有這樣子的特性。ADC driver 一般都用運算放大器(opamp)來實作,其 Gain Bandwidth Product 要大,並以低雜訊的為佳。

輸入過壓保護

輸入過壓保護(OVP)的設計在商用或工業用的取樣產品(DAQ)上很常見。產品設計者總是擔心使用者亂接或亂摸輸入端點。它的設計也非常簡單便宜,任一訊號路徑只需要二顆二極體(voltage clamper)就能達到最低的保護要求。

增益可調放大器

增益可調放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA)對於 ADC driver 是個選項設計。在 ADS8688 中,它的 PGA 除了能調整增益,還能改變其取樣範圍的中間值,也就是 zero code 或 middle code 對應到的準位(從 differential 的角度來看,中間值就是它的 common mode voltage)。單獨的 PGA 晶片一般都是數位的控制介面,可以在增益與偏壓(offset)上進行精確的控制,阻抗匹配上也相對容易。

低通濾波器

低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF)是 ADC 訊號前端非有不可的東西,不過 LPF 的截止頻率的設計取決於待測物的頻率範圍。ADS8688 較單純,給了一個二階的、截止頻率為 15kHz 的 LPF。考量到 Nyquist theory,單一頻道的取樣率至少為 30kHz。若八個頻道輪循,為 240kHz,為規格最大值的一半而己。實務上取樣率建議至少 5 倍於截止頻率,便能把 aliasing 雜訊的影響降到最低。不過還是以實際的應用情境為準。

多工器

ADS8688 的多工器是放在最接近 ADC 核心的一端,這樣就不用考慮由於濾波器對訊號產生的相位差對於 ADC 取樣的影響了。500 kSps 的取樣率由至多八個頻道來分攤,也是單一頻道的最高取樣率。

ads8688-1
ADS8688 單一頻道的設計

由 A 至 D 的訊號鍊

若參考 ADS8688 的內部架構,實際應用時 A/D 的訊號鍊可以設計成

(類比訊號) → 緩衝器 → 過壓保護 → 增益可調放大器 → 低通濾波器 → 多工器 → ADC → (數比訊號)

其中:

  • 緩衝器:若以運算放大器來實作,可大幅增加輸入阻抗,效果可能比 ADS8688 的 1MΩ 的恆定阻抗來得好。有些運算放大器有輸入過壓保護,可增加整體的保護效益。
  • 過壓保護 + 增益可調放大器:可以電阻網路取代。電阻網路可降壓或降壓並位移中間值,不過取樣精度會受影響,電路較簡單。若非泛用型的量測系統,在待測訊號的特性已知的情況下,過壓保護可省略。
  • 低通濾波器:依需求考量,可以增加或減少階數。
  • 多工器:若 ADC 包含多個通道,則不需額外的多工器。若待測訊號頻率與振幅特性接近,多工器可以放在最前面。
  • ADC:一般的 SAR ADC,其取樣率或精度上限大概是 1MHz 與 18 bit。若不想損失太多精度下增加速度,可以使用 pipeline ADC。若不想損失太多速度下提高精度,可使用 delta-sigma ADC。

一句話的結論

好的東西就是貴。

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