低通濾波器的經驗法則
通常，一階低通濾波器出現在許多建議中，但為什麼沒有人使用更高階濾波器？除非應用明確要求消除輸入訊號中較大的頻外干擾或諧波，否則增加濾波器階數將給系統帶來額外的複雜性。一般來說，折衷方案是讓小訊號頻寬略高於需求，這會影響雜訊，但好處是能夠輕鬆驅動ADC輸入級，並能降低功耗和成本。
通常，一階低通濾波器出現在許多建議中，但為什麼沒有人使用更高階濾波器？除非應用明確要求消除輸入訊號中較大的頻外干擾或諧波，否則增加濾波器階數將給系統帶來額外的複雜性。一般來說，折衷方案是讓小訊號頻寬略高於需求，這會影響雜訊，但好處是能夠輕鬆驅動ADC輸入級，並能降低功耗和成本。
減輕負擔
我們之前提到，放大器不喜歡虛部阻抗和/或提供大電流，但這無法避免，因為虛部阻抗是電容帶來的，而電容能解決反沖問題。
我們之前提到，放大器不喜歡虛部阻抗和/或提供大電流，但這無法避免，因為虛部阻抗是電容帶來的，而電容能解決反沖問題。
改善這種情況的唯一辦法是減少反沖。這種解決方案已被最新的ADI轉換器採用，例如AD7768和AD4000。
由於轉換器架構不同，每種元件採用的解決方案也不同。AD4000 SAR ADC可在低於類比輸入範圍的電源下工作。採用的解決方案稱為高阻模式，僅適用於100 kHz以下的採樣頻率。
在AD7768中，電源等於或高於模擬輸入範圍。AD7768採用的解決方案稱為預充電緩衝器，與高阻模式相反，其工作頻率最高可達ADC最大採樣頻率。
兩種解決方案均基於相同的工作原理，驅動ADC的主要困難是電容電荷再分配。換句話說，當內部切換開關重新連接採樣電容時，輸入緩衝器和低通濾波器看到的電壓降越低，電壓反沖就越小，ADC輸入電流相應減小。因此，驅動ADC就越容易，建立時間也越短。濾波器電阻上的壓降降低，故交流性能得到提升。
圖8顯示了預充電緩衝器和高阻模式使能與禁用情況對輸入電流的影響。
圖8:輸入電流
輸入電流越高，放大器頻寬也應越高（即越快）。因此，輸入低通濾波器頻寬應該越高，這會影響雜訊。
例如，對於以1 MSPS採樣的1 kHz輸入訊號，使用SINAD來評估性能。在不同的濾波器截止頻率下，我們得到如圖9所示的結果。
圖9:使用和不使用高阻模式兩種情況下AD4003 SINAD與輸入頻寬的關係
上圖顯示，相較於完全相同的配置但高阻模式關閉，低輸入電流（高阻模式開啟）降低了濾波器截止頻率要求和濾波器電阻的IR壓降，提升了ADC性能。
從圖9可以觀察到，透過提高輸入濾波器截止頻率，外部放大器可以更快地對採樣電容充電/放電，但代價是雜訊會提高。例如，在高阻模式開啟時，500 kHz時的採樣雜訊小於1.3 MHz時的採樣雜訊。因此，SINAD在500 kHZ輸入頻寬時更為良好。此外，低通濾波器所需的電容會減小，有助於提高放大器驅動器的性能。
電路設計優勢
ADI 最新ADC中實現的這些更易於驅動或減輕負擔的特性，對整個訊號鏈都有一些重大影響。ADC設計人員將一些驅動問題引入ADC晶片本身的關鍵優勢，在於該解決方案可以設計為盡可能高效地滿足ADC的訊號要求，從而解決一些問題，包括輸入頻寬和放大器穩定性。
ADI 最新ADC中實現的這些更易於驅動或減輕負擔的特性，對整個訊號鏈都有一些重大影響。ADC設計人員將一些驅動問題引入ADC晶片本身的關鍵優勢，在於該解決方案可以設計為盡可能高效地滿足ADC的訊號要求，從而解決一些問題，包括輸入頻寬和放大器穩定性。
減小流入ADC輸入端的電流，從而減少反沖，意味著放大器要處理的電壓階躍較低，但仍然具有與標準切換開關電容輸入相同的完整採樣週期。
減小給定時間內要建立的階躍電壓，與使用較長時間來建立較大階躍意義相同。淨效應是放大器現在不需要如此寬的頻寬來將輸入充分建立到同一最終值。頻寬減小通常意味著放大器功耗更低。
看待這種情況還有一種方式：想像一下，通常認為沒有足夠頻寬來使給定ADC輸入建立的放大器，現在能夠在使能預充電緩衝器的情況下實現充分建立。
ADI應用筆記AN-1384介紹了一系列放大器在三種功耗模式下與AD7768配合使用時可實現的性能。此文檔介紹的放大器之一是ADA4500-2，當不使用預充電緩衝器時，它難以在中功率模式下使AD7768的輸入建立(THD > -96 dB)。但是，當使能預充電緩衝器時，性能顯著提升到優於-110 dB THD。
ADA4500-2是一款10 MHz頻寬放大器，在給定模式下使AD7768建立所需的頻寬約為12 MHz，我們看到，易驅動特性現在支援使用這種較低頻寬放大器。因此，這些特性不僅使得前端緩衝電路的設計更加容易，而且還允許更自由地選擇元件，以保持在系統功耗或熱限值範圍內。
流入ADC類比輸入針腳的電流減小的第二個優點，是現在流過串聯電阻（其用作輸入RC網路的一部分）的電流減小。
對於傳統ADC輸入，相對較大的電流意味著只能使用小值電阻，否則會在該電阻上產生很大電壓降。這裡的大壓降可能導致ADC轉換結果中出現增益誤差或線性誤差。
然而，使用較小電阻值也有挑戰。使用較小電阻實現相同的RC頻寬意味著要使用更大電容。但是，這種使用易驅動特性時遇到的電流減小情況，意味著可以使用較大值電阻而不會影響性能，並能確保系統穩定。
電路性能優勢
考慮上文所述的電路設計優勢，很明顯，使用這些特性還能獲得性能優勢或進一步改善性能的機會。
考慮上文所述的電路設計優勢，很明顯，使用這些特性還能獲得性能優勢或進一步改善性能的機會。
已經提到的優勢，即能夠利用較低頻寬放大器實現更好的性能，也可以用於擴展更優化系統的性能。例如，即便是已充分建立的輸入訊號，當最終建立發生時，輸入之間仍可能存在一些不匹配。因此，使能預充電緩衝器之類的特性將意味著這種最終建立會小得多，因此能夠實現最高水準的THD，而在以前，這是不可能的。
流過RC網路串聯電阻的電流減小也有利於性能。此外，不僅輸入電流顯著降低，而且它幾乎不依賴於輸入電壓。THD也能得到改善，因為輸入對上電阻的任何不匹配都會導致ADC輸入端看到較小電壓差，並且電壓降不具有訊號依賴性。
較低的輸入電流對失調和增益精度也有影響。由於絕對電流減小，以及訊號相關的電流變化減少，每個通道或每個電路板上的元件值變化導致失調和增益誤差發生較大變化的可能性也較小（同理，較低電流導致串聯電阻上的電壓變小）。利用預充電緩衝器可以實現更好的絕對失調和增益誤差規格，系統內不同電路板或通道的性能也會更為一致。
在ADC採樣速率為適應不同訊號採集需求而變化的系統中，例如在資料擷取卡中，較低電流還有另一個好處。在沒有預充電緩衝器的情況下，輸入被動元件上的電壓降隨ADC的採樣速率而變化，因為在較高採樣速率下，ADC輸入電容常常會更頻繁地充電和放電。這同時適用於類比輸入路徑和基準輸入路徑，ADC將此電壓變化視為與採樣速率相關的失調和增益誤差。
但是，當致能預充電緩衝器時，絕對電流以及相應的絕對電壓降在開始時會小得多，因此ADC採樣速率變化引起的電壓變化也會低得多。在最終系統中，這意味著當調整取樣速率時不大需要重新校準系統失調和增益誤差，並且失調和增益誤差對ADC採樣速率的變化不那麼敏感。
成本優勢
易使用特性的主要優點之一與總成本有關。各方面的設計和性能優勢導致開發成本和運行成本有可能降低。
易使用特性的主要優點之一與總成本有關。各方面的設計和性能優勢導致開發成本和運行成本有可能降低。
► 更簡單的設計意味著設計工作量減少，完成第一個原型的時間更快，
► 原型設計一次成功的機率更大。
► 易驅動特性支援更低的頻寬，因而可以使用較低成本的放大器。
► 失調和增益優勢可以減少工廠校準。
► 性能改進可以減少現場校準或按需校準，從而減少停機時間和/或提高產量。
► 原型設計一次成功的機率更大。
► 易驅動特性支援更低的頻寬，因而可以使用較低成本的放大器。
► 失調和增益優勢可以減少工廠校準。
► 性能改進可以減少現場校準或按需校準，從而減少停機時間和/或提高產量。
使用AD7768-1的實例
表2顯示了AN-1384應用筆記中的一些測量資料，此資料有助於設計人員選擇合適的放大器來驅動AD7768-1 ADC。 表格中的例子說明，當使能預充電特性時，改善幅度相當明顯。具體來說，THD的改善是上面提到的減輕ADC加之於驅動電路的負擔的綜合效應的結果。例如，當使能預充電緩衝器時，採用ADA4945-1放大器的配置使THD提高4 dB。類似地，ADA4807-2電路使THD增加18 dB。這些例子表明：高性能的放大器，當與ADI的許多最新ADC提供的易驅動特性結合時，可以實現一流的性能水準。
表2顯示了AN-1384應用筆記中的一些測量資料，此資料有助於設計人員選擇合適的放大器來驅動AD7768-1 ADC。 表格中的例子說明，當使能預充電特性時，改善幅度相當明顯。具體來說，THD的改善是上面提到的減輕ADC加之於驅動電路的負擔的綜合效應的結果。例如，當使能預充電緩衝器時，採用ADA4945-1放大器的配置使THD提高4 dB。類似地，ADA4807-2電路使THD增加18 dB。這些例子表明：高性能的放大器，當與ADI的許多最新ADC提供的易驅動特性結合時，可以實現一流的性能水準。
表2:使用不同放大器的AD7768-1性能
結論
由於轉換器的反沖和頻寬要求，設計一個驅動無緩衝ADC的電路並非易事，需要適當的方法和折衷考慮。很多時候，所需電路將決定整體系統的THD、SNR和功耗等方面的性能。
由於轉換器的反沖和頻寬要求，設計一個驅動無緩衝ADC的電路並非易事，需要適當的方法和折衷考慮。很多時候，所需電路將決定整體系統的THD、SNR和功耗等方面的性能。
ADI 採用SAR和Σ-Δ技術的最新精密轉換器整合了一系列特性，可最大限度地減小轉換器輸入電流。這將使反沖最小，大幅減少並簡化外部電路，實現以前無法實現的規格數值。SAR和Σ-Δ技術因而更易於使用，而能使工程時間得以縮短，系統特性得到改善。
本文作作者：ADI產品應用工程師Stuart Servis 及 線性與精密技術部的應用工程師Miguel Usach Merino)
