具有斩波的CMOS ADC

诸如高精度电机控制或等离子蚀刻机等工业应用仍然无法充分利用先进高速数据转换器的功能。由于这些系统监视一个频率为数百千赫的小输入信号，以及其更小的谐波，它们对于高速数据转换器的1/f噪声或闪烁噪声非常敏感（请见图1）。

图1：出现1/f噪声时的所需信号与其谐波

不幸的是，对于这些应用来说，高速模数转换器 (ADC) 正在向更加精细、更加先进的处理参数发展。双极晶体管的1/f噪声转角大约为100kHz；对于互补金属氧化物半导体 (CMOS) 晶体管来说（取决于实际的处理参数），这个值大约为10MHz，或者更大。所以，与双极晶体管相比，CMOS ADC的1/f噪声转角要差/高很多，并且与很多工业应用中使用的极低频率输入范围直接重叠在一起。

不过，你可以用一个被称为斩波前端的很巧妙，但是很有效的设计特性来克服这个限制。很多工业应用的设计人员已经发现了全新的ADC3k系列，这是因为这款器件配备了一个内部斩波前端。

斩波特性的工作方式

“斩波”这个名称来自很多年前的一个电路；这个电路将DC电压输入转换为一个可变DC输出电压。在现代的电子器件中，去掉周围有害噪声的各种不同开关电路都被归为斩波电路。

在ADC3k中，斩波的主要思路在于，将1/f噪声传输为一个不同的频率范围，远离靠近DC的输入信号。基本上，斩波电路由一个无源混频器（工作频率为采样率的一半）和某些数字逻辑电路组成。基本上，无源混频器将采样刚刚开始前的输入频谱反转，而不是将1/f噪声移到较远的地方。因此，它将低频输入信号转移到ADC那奎斯特区域的另一端。如图2中所示，采样后，数字混频器将频谱再次反转，将所有内容都变回到它们原来的位置上。

图2：ADC3244的斩波实现细节

运行中的斩波

斩波被禁用的快速傅里叶变换 (FFT) 频谱（图3，左侧）显示了输入信号，以及靠近DC的1/f噪声。在启用斩波特性后，输入信号在10MHz上保持不变，而低频1/f噪声现在被移动到Fs/2上的那奎斯特区域的另一端。

这个斩波特性的确带来了一个额外的、有害的副产品。正如你在图3右侧的FFT曲线图中看到的那样，这个无源混频器在Fs/2还产生一个较大的杂散。这被称为本地振荡器 (LO) 馈通，其中的LO输入被耦合到输出频谱中。这个杂散，连同有害的1/f噪声，远离的我们所关心得频率范围；然而，你可以使用数字滤波器将二者全都消除。

图3：斩波被禁用的10MHz输入信号（左侧），以及斩波被启用的10MHz输入信号（右侧）

传统上，在低频范围内需要极佳噪声性能的工业应用有可能只使用基于双极晶体管的高速ADC，这些ADC提供最低的1/f噪声系统配置。斩波是一个创新特性，它消除了CMOS转换器的这个内在缺点。增加斩波特性使得系统设计人员能够利用先进的、功耗低很多的CMOS数据转换器。

审核编辑：郭婷