何为反冲问题?
下面是一个经典的模拟问题:“若有两个并联电容连接到一个开关,开关断开时,一个电容储存了一些能量,那么当开关闭合时,两个电容会发生什么?”
答案取决于充电电容储存的能量和电容之间的比率。例如,如果两个电容具有相同的值,则能量将在它们之间均分,电容端子间测得的电压将减半,如图4所示。
图4.充电(左)和未充电(右)的电容
这就是反冲问题。
一些ADC会执行内部校准以补偿内部误差,这称为自稳零校准。这些程序会使采样电容电压接近供电轨或另一电压,例如基准电压的一半。
这意味着放大器缓冲的外部信号和采样电容(其必须保存模拟值以便获取新样本)常常不是处于相同的电位(电压)。因此,采样电容必须充电或放电,以使其与缓冲器输出具有相同的电位。此过程所需的能量将来自外部电容(低通RC滤波器中的电容)和外部缓冲器。这种电荷再分配和电压的建立将需要一定的时间,在此期间电路中各点处的电压将受到干扰,如图1所示。再分配的电荷量可能很大,相当于电流流入或流出放大器并流入电容。
结果是放大器应当能够在非常有限的时间内对低通滤波器的外部电容和ADC的采样电容进行充电/放电,低通滤波电阻则会用作限流器。
更具体地说,放大器应当能够在给定误差范围内从采样电容和外部源对电容充电/放电。外部低通滤波器的截止频率应该比目标频带略高一点,由滤波器的时间常数、ADC的位数以及样本之间的最差情况转换(即我们应当能够准确测量的最差输入阶跃)来定义。
如何解决反冲问题?
解决该问题的较简单方法是选择具有足够压摆率、带宽增益积、开环增益和CMRR的放大器,并将您在市场上能够找到的最大电容放在输出端,而电阻足够小,以满足低通滤波器带宽要求。
由于电容非常大,反冲问题将可以忽略不计,带宽受低通滤波器限制,所以问题得以解决,对吗?
很遗憾,上面的解决方案不会奏效,但如果您很好奇,想尝试上述解决方案,那么您会发现两点:电容将像炼乳容器那么大,放大器不喜欢输出端有虚部阻抗。
放大器的性能取决于放大器看到的虚部阻抗。在这种情况下,低通滤波器的缺点是THD和建立时间性能降低。建立时间的增加将导致放大器无法对电容充电,使得ADC采样的电压不是正确的最终电压。这将加剧ADC输出的非线性。