如何利用高输入源阻抗提高ADC测量精度
本应用笔记讨论了max11613 adc与高输入源阻抗的精度使用的方法。
介绍
无缓冲adc因其设计简单而常用。但是，这些adc的采集时间有限，需要输入信号在分配的时间内建立。这些adc跟踪输入信号的间隔必须长于输入信号的建立时间，才能获得精确的转换结果。因此，需要低输入源阻抗。
逐次逼近寄存器 （sar） adc 架构
逐次逼近寄存器（sar）adc经常用于采样速率低于每秒5兆采样（msps）的中高分辨率应用。sar adc的分辨率通常为8至20位。它们具有低功耗和小尺寸。这些特性使adc成为各种应用的理想选择，如便携式/电池供电仪器、笔式数字化仪、工业控制和数据/信号采集。
sar adc基本上实现了二进制搜索算法。因此，虽然内部电路可能以几兆赫兹（mhz）运行，但由于逐次逼近算法，adc采样速率只是数字的一小部分。
sar adc的基本架构非常简单（图1），但实现它有很多变化。模拟输入电压（v在） 处于跟踪/保持状态。n 位寄存器首先设置为中间量程（100...00，其中最高有效字节 （msb） 设置为 1），以实现二叉搜索算法。这会强制 dac 输出 （v代数转换器） 为 v裁判/2，其中 v裁判是adc的基准电压。进行比较以确定 v 是否在小于或大于 v代数转换器.比较器输出为逻辑高电平或1，如果v电压为1，则n位寄存器的msb保持1在大于 v代数转换器.相反，比较器输出为逻辑低电平，寄存器的msb为逻辑0，如果v为v。在小于 v代数转换器.然后，sar 控制逻辑移动到下一个向下的位，强制其为高电平，然后进行另一次比较。序列一直向下持续到最低有效字节 （lsb）。转换完成，n位数字字在寄存器中可用。
图1.简化的n位sar adc架构。
max11163等效输入电路
max11613模拟输入架构包含一个模拟输入多路复用器（mux）、一个全差分采样保持（t/h）电容、t/h开关、一个比较器和一个全差分开关电容式数模转换器（dac）（图2）。模拟输入多路复用器连接c电镀在单端模式下的模拟输入与差分模式下的+和–模拟输入之间。
图2.max11613等效输入电路
t/h 开关位于轨道位置和 c电镀在采集间隔期间对模拟输入信号充电。t/h 开关在采集间隔结束时移动到保持位置，将电荷保留在 c 上电镀作为输入信号的稳定样本。开关容性dac在转换间隔期间进行调整，将比较器输入电压恢复到12位分辨率限制内的0v。此操作需要 12 个转换时钟周期。相当于转移11pf x（v）的电荷在+ - v在-） 从 c电镀到二进制加权电容dac，形成模拟输入信号的数字表示。
如果源阻抗较高（>1.5k？），采样精度可能会受到影响，这会导致输入信号的建立时间长于给定的采集时间。使用不同的源阻抗值进行了以下实验。
实验
max11163配置为测量三个通道的数据：ch0， ch1和 ch1以查看高阻抗源对测量精度的影响。图3显示了具有三种不同源阻抗的数据。ch0有低 50？源阻抗。ch1有 10k？源阻抗，带有一个额外的 100pf 电容器，从模拟输入连接到地。ch1有 10k？源阻抗。c的实测数据h0（1.0004v） 在输入电压为 1.0000v 时误差约为 -0.04%。c的实测数据h1（0.9460） 的误差约为 5.5%。max11613测得的1.0000v输入电压为0.9735，输入端没有额外的100pf电容。误差约为 2.69%。
图3.max11613从1.0000v输入电压捕获不同源阻抗的数据。
准确性改进
可以使用三种方法来最小化具有较高源阻抗的采样误差。
方法 1.缓冲放大器
max44244配置为缓冲放大器（图4）时，提供低输出阻抗，用于max11613精确捕获信号。max44244还具有2μv的极低失调，非常适合与max11163配对，用于高精度测量，输入阻抗高达1mhz。max44244是缓冲放大器的最佳选择，用于高达10mhz的更高输入频率。
图4.max44242/max44244缓冲放大器
结果表明，当缓冲放大器连接在具有高输入阻抗的两个通道之后时，所有三个通道的低精度误差仅为-0.04%。
图5.缓冲放大器跟随c的数据h1和 ch1（高输入源阻抗）。
方法 2.高 cext 电容
通过在max11613 adc的模拟输入端在通道2（cext = 0.1μf）安装高外部电容，器件的测量精度误差大幅提高至-0.04%，就好像输入具有低阻抗源（图6）一样。0.1μf的高电容可以存储足够的电荷，以便对内部采样电容（c在).因此，建立时间仅为r在× c在而不是更长的（r源+ r在） × c在.因此，准确性显着提高。
图6.1.0000v输入的数据。ch0源阻抗为 50？。ch1源阻抗是10k？100pf到地面。ch1源阻抗是10k？0.1μf接地。
提高测量精度的第二种方法仅适用于直流或近直流输入信号，因为至少0.1μf的高输入电容（cext）是这样的。 该 0.1μf 电容器提供 1/（2 × 3.1416 × 10k？ × 0.1μf） = 159hz 与 10k？输入源阻抗。
方法 3.更低的外部 scl 串行时钟频率
如果模拟输入源阻抗较高，则采集时间常数会延长，并且转换之间必须留出更多时间。实现高转换精度的第三种方法是降低外部scl串行时钟频率，以提供所需的额外转换时间。图7和图8分别描述了scl= 400khz时1.37%和scl= 90khz时0.27%的精度误差。
图7.r源ch0= 50？， ch1= 10k？/1000pf， v在= 1.0000v， v模数转换器（ch0） = 1.0004v （误差 = -0.4%），v模数转换器（ch1） = 0.9863v （误差 = 1.37%）， f标准及校正实验所= 400khz。
图8.r源ch0= 50？， ch1= 10k？/1000pf， v在= 1.0004v， v模数转换器（ch0） = 1.0004v （误差 = 0%）， v模数转换器（ch1） = 0.9973v （误差 = 0.27%）， f标准及校正实验所= 90khz。
结论
本文介绍了三种方法，以提高max11163在高输入源阻抗下的测量精度。缓冲放大器方法是使用max44242实现高达5mhz高输入频率的最佳方案。max44244具有极低的失调电压，仅为2μv，输入频率高达1mhz，因此可提供较低的精度误差。对于高达 100hz 的直流或低输入频率，更简单、成本更低的解决方案是使用从模拟输入连接到地的 0.1μf 高值电容器，为内部采样电容器 （c电镀).提高转换精度的最便宜的方法是简单地降低外部scl串行时钟频率，这可以通过软件更改来实现。
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逐次逼近寄存器（sar）adc经常用于采样速率低于每秒5兆采样（msps）的中高分辨率应用。sar adc的分辨率通常为8至20位。它们具有低功耗和小尺寸。这些特性使adc成为各种应用的理想选择，如便携式/电池供电仪器、笔式数字化仪、工业控制和数据/信号采集。
sar adc基本上实现了二进制搜索算法。因此，虽然内部电路可能以几兆赫兹（mhz）运行，但由于逐次逼近算法，adc采样速率只是数字的一小部分。
sar adc的基本架构非常简单（图1），但实现它有很多变化。模拟输入电压（v在） 处于跟踪/保持状态。n 位寄存器首先设置为中间量程（100...00，其中最高有效字节 （msb） 设置为 1），以实现二叉搜索算法。这会强制 dac 输出 （v代数转换器） 为 v裁判/2，其中 v裁判是adc的基准电压。进行比较以确定 v 是否在小于或大于 v代数转换器.比较器输出为逻辑高电平或1，如果v电压为1，则n位寄存器的msb保持1在大于 v代数转换器.相反，比较器输出为逻辑低电平，寄存器的msb为逻辑0，如果v为v。在小于 v代数转换器.然后，sar 控制逻辑移动到下一个向下的位，强制其为高电平，然后进行另一次比较。序列一直向下持续到最低有效字节 （lsb）。转换完成，n位数字字在寄存器中可用。
图1.简化的n位sar adc架构。
max11163等效输入电路
max11613模拟输入架构包含一个模拟输入多路复用器（mux）、一个全差分采样保持（t/h）电容、t/h开关、一个比较器和一个全差分开关电容式数模转换器（dac）（图2）。模拟输入多路复用器连接c电镀在单端模式下的模拟输入与差分模式下的+和–模拟输入之间。
图2.max11613等效输入电路
t/h 开关位于轨道位置和 c电镀在采集间隔期间对模拟输入信号充电。t/h 开关在采集间隔结束时移动到保持位置，将电荷保留在 c 上电镀作为输入信号的稳定样本。开关容性dac在转换间隔期间进行调整，将比较器输入电压恢复到12位分辨率限制内的0v。此操作需要 12 个转换时钟周期。相当于转移11pf x（v）的电荷在+ - v在-） 从 c电镀到二进制加权电容dac，形成模拟输入信号的数字表示。
如果源阻抗较高（>1.5k？），采样精度可能会受到影响，这会导致输入信号的建立时间长于给定的采集时间。使用不同的源阻抗值进行了以下实验。
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图3.max11613从1.0000v输入电压捕获不同源阻抗的数据。
准确性改进
可以使用三种方法来最小化具有较高源阻抗的采样误差。
方法 1.缓冲放大器
max44244配置为缓冲放大器（图4）时，提供低输出阻抗，用于max11613精确捕获信号。max44244还具有2μv的极低失调，非常适合与max11163配对，用于高精度测量，输入阻抗高达1mhz。max44244是缓冲放大器的最佳选择，用于高达10mhz的更高输入频率。
图4.max44242/max44244缓冲放大器
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图6.1.0000v输入的数据。ch0源阻抗为 50？。ch1源阻抗是10k？100pf到地面。ch1源阻抗是10k？0.1μf接地。
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图7.r源ch0= 50？， ch1= 10k？/1000pf， v在= 1.0000v， v模数转换器（ch0） = 1.0004v （误差 = -0.4%），v模数转换器（ch1） = 0.9863v （误差 = 1.37%）， f标准及校正实验所= 400khz。
图8.r源ch0= 50？， ch1= 10k？/1000pf， v在= 1.0004v， v模数转换器（ch0） = 1.0004v （误差 = 0%）， v模数转换器（ch1） = 0.9973v （误差 = 0.27%）， f标准及校正实验所= 90khz。
结论
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