概述

本文学习于TI 高精度实验室课程，总结使用运算放大器驱动 SAR ADC 时的注意事项。具体包括：了解运算放大器共模范围和输出摆幅限制如何影响 SAR ADC 性能，研究运算放大器设计技术以避免共模和输出摆幅限制，讨论轨到轨放大器与交叉失真的影响。

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一、ADC 的输入范围

先来看看单端型 SAR ADC 的输入范围。实际上有两个范围需要熟悉。满量程输入范围（Full-scale input voltage span） 与参考输入电压有关，对于此设备，参考电压恰好是 AVDD，即 3.3 伏。注意，这是从 AINP 到 AINM 之间的电压。

AINM 的范围很窄，为正负 100 毫伏。AINM 输入的偏移将使 AINP 的输入范围也发生偏移，因此，对于此示例，满量程输入范围通常为 0 至 3.3 伏，但如果 AINM 不是精确接地，则可能会略微调整。

绝对最大输入范围（Absolute Input voltage range） 是可以安全施加到数据转换器而不会损坏设备的电压范围。超过此范围可能会导致设备损坏。如果放大器的电源轨超出转换器的满量程范围，则尤其需要注意此限制。

在上图中，AINP 处的绝对最大范围为 -0.3V 至 AVDD+0.3V。在此示例中，AVDD 等于 3.3 伏，因此绝对最大范围为负 0.3 伏至 3.6 伏。超过或低于绝对最大限值可能会导致设备损坏。在这种情况下，放大器电源为 0 伏和 3.3 伏，这在数据转换器的绝对最大范围内，因此输入不会受到电气过载的影响。

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二、运放的输入范围

2.1 运放输入范围相关的指标

现在看看同一示例中放大器的线性范围，如下图所示。有几个因素会影响放大器的线性范围——放大器的输入范围（Amplifier Input Range）、放大器的输出范围（Amplifier Output Range）和放大器的线性范围（Amplifier Linear Range）。放大器的输入范围（以红色显示）由数据表中的共模范围规范设置。对于缓冲器，共模电压和输入电压相同。在此示例中，放大器电源为 0 伏和 3.3 伏，与共模规范一起使用，可计算出负 0.1 伏至 3.4 伏的共模范围。

放大器的输出范围（以绿色显示）受电源电压和负载限制。在此示例中，SAR 输入是开关电容器，因此稳态负载为高阻抗。因此，我们使用最高阻抗负载的规格，即 10 千欧姆。在这种情况下，最坏情况下的输出限制为 20 毫伏。对于 0 伏和 3.3 伏电源，这相当于输出摆幅为 0.02 伏至 3.28 伏。

放大器的线性范围通常比输出摆幅更窄。此规格可能不直接提供，但通常可以从开环增益规格推断出来。检查此示例中的 AOL 规格（以蓝色显示），可以看到测试条件是针对有限的输出范围定义的。将输出摆幅保持在此范围内可确保良好的开环增益和线性输出摆幅。

注意，线性输出摆幅比输出摆幅更具限制性，这是因为放大器的输出在达到饱和极限之前将变为非线性。指定的输出摆幅是饱和极限，而线性范围可确保良好的线性响应。

在前面的例子中，放大器的线性输出范围比 ADC 的满量程范围更窄。在这种情况下，我们浪费了一些数据转换器的输入范围。在这里，我们调整放大器电源以增加放大器的线性输出范围，以便我们可以使用完整的 ADC 输入范围。

将放大器电源调整为负 0.2 伏和 3.5 伏，可将输出范围增加到负 0.1 伏至 3.4 伏。此输出范围比数据转换器的满量程范围更宽，因此不会浪费任何代码。换句话说，每个数字输出代码都对应一个唯一的模拟输入电压。

还必须确保放大器不超过数据转换器的绝对最大范围。在本例中，ADC 的绝对最大范围为负 0.3 伏至 3.6 伏。放大器电源不能超过此范围，因此不会受到电气过载的影响。

这种方法的局限性在于需要不常见的电源，而系统中可能没有这些电源。对于负 0.2 伏负电源尤其如此。一个值得注意的设备是 LM7795。该电荷泵专门设计用于产生小负电源。使用这种电路的主要问题是确保使用足够的滤波来最大限度地降低开关噪声。

下图我们展示了一个不同的运算放大器驱动示例。上一个示例使用了轨对轨放大器，因此输入范围没有共模限制。然而，在这种情况下，不使用轨对轨放大器，共模限制非常大。也就是说，我们被限制在正电源的 1.15 伏以内。

避免上图中显示的共模限制的一种方法是使用反相放大器配置，如下图所示。共模电压由施加到同相输入的电压设置，在本例中为 0 伏，因为同相引脚接地。注意，即使施加输入信号，共模电压也是恒定的 0 伏，因此该电路不像缓冲电路那样具有共模限制。

此外，由于共模保持不变，该电路不易受到与共模抑制限制相关的误差的影响。 该电路的一个限制是输入阻抗等于增益设置电阻， 在本例中为 10 千欧姆。对比之下，基于同相放大器的电路具有极高的输入阻抗，通常大于 100 兆欧姆。此外，反相配置具有与反馈电阻相关的增益误差，而同相缓冲放大器具有极小的增益误差。

2.2 轨到轨运放中的输入交越失真

在前面的例子中，我们了解了如何使用轨到轨放大器来避免共模限制。但是，一些轨到轨放大器有一个限制或误差源，称为输入交越失真。当共模电压超过某个阈值时，输入交越失真会导致放大器的失调电压跳跃。 在下图中，可以看到蓝色显示的输入信号和红色显示的输出信号。这两个信号彼此密切跟踪，直到输入共模超过偏移量发生变化的阈值。偏移量的变化导致输出信号偏移。信号中的这种失真称为输入交越失真。

下图展示了实现轨到轨放大器的两种不同方法。一般来说，晶体管输入级无法在整个电源范围内实现线性操作。PMOS 晶体管可用于实现对负电源的线性操作。而 NMOS 晶体管可用于实现对正电源的线性操作。

实现轨到轨操作的一种方法是并联使用两个不同的输入晶体管对，如上面左图所示。PMOS 晶体管将针对负轨附近的共模信号运行。而 NMOS 晶体管将针对正轨附近的共模信号运行。这种方法的问题在于两个输入对的偏移会有所不同。因此，随着共模电压的调整，操作将从 PMOS 切换到 NMOS，偏移也会发生变化。

另一种创建轨到轨放大器的方法（如上面右图所示）是使用内部电荷泵来增加正电源。在这种情况下，使用 PMOS 输入级。PMOS 通常对负电源附近的共模信号具有良好的摆动，但当共模接近正电源时会受到限制。通过增加正电源，从而避免使用内部电荷泵的共模限制，可以消除此问题。在此示例中，内部正电源轨增加了 1.7 伏，以避免共模限制。

这种 0 输入交越失真类型的放大器是 SAR 数据转换器的常用驱动放大器。但是，应该注意的是，电荷泵是一种开关电容电路。开关会产生噪声，但对于大多数现代放大器而言，噪声量会通过极低纹波设计降至最低。尽管如此，电荷泵噪声有时仍可能影响运算放大器的行为。 例如，OPA365 中的电荷泵以 10 兆赫兹的频率切换，而放大器的带宽为 50 兆赫兹。因此，在较低增益配置中，电荷泵噪声将由放大器传递。通常，电荷泵噪声相对于放大器的宽带噪声较小。

还要注意的是，电荷泵信号可以通过外部电源馈入。在这种情况下，它可以与其他电源噪声源结合，并产生电荷泵开关频率的谐波。因此，最好在运算放大器电源引脚上使用电容去耦。在某些情况下，在放大器和其他敏感电路之间使用铁氧体磁珠也可能有帮助。下面显示的布局特别注意确保与去耦电容器的连接是短而直接的连接。此外，还可以使用与高频电容器并联的大容量去耦电容器，以进一步最大限度地减少电荷泵噪声从放大器馈送到电源。

2.3 输入交越失真会对 ADC 的影响

如果不使用 0 输入交越失真设备会怎么样？输入交越失真会对 ADC 的 SNR 和 THD 产生什么样的 AC 性能影响？下图显示了测量结果，展示了输入交越失真如何影响数据转换器的 AC 规格。

OPA316 具有轨对轨输入，具有输入交越失真。当输入共模电压超过 3.8 伏时，就会发生输入交越失真。在这里，我们施加 2 伏峰峰值信号并改变共模电压，当输入信号进入交越失真区域时，输出信号将出现失真。

当最大共模输入信号为 2.5 伏时，未进入交越失真区域。注意，数据转换器在此区域中具有良好的交流性能，THD 为 108 dB，SNR 为 85 dB。将共模增加到 3.75 伏不会对交流性能产生重大影响，因为我们仍然没有进入交叉区域。请注意，THD 等于 104 dB，SNR 等于 85 dB。

当我们进入交越区域时，共模电压增加到 4 伏，开始出现失真。现在，THD 和 SNR 降低到 THD 为 99 dB，SNR 为 85 dB。将共模电压进一步增加到 4.75 伏，失真会更显著地增加。注意，谐波明显恶化，交流性能显著下降。现在，THD 等于 71.2 dB，SNR 等于 83 dB。

这里的重点并不是说应该始终使用 0 输入交越失真器件。在许多情况下，输入交叉失真引入的误差是可以接受的。重点只是要意识到这个误差源，并在需要有高性能 AC 规格的系统中避免它。