AN1108-了解单端、伪差分和全差分ADC

了解单端、伪差分和全差分ADC

当今许多仪器仪表和过程控制应用程序使用模数转换器（ADC）转换传感器的模拟输出，以进行处理和/或存储。对于电压输入ADC，存在三种不同的输入结构类型：单端、伪差分和全差分。本教程解释了输入类型之间的差异、优势和权衡。

今天的许多电子仪器依靠微控制器或数字信号处理器（DSP）来处理真实世界的模拟信号。传感器将温度或压力等自然参数转换为电压或电流。模数转换器（ADC或A/D转换器）将信号转换成数字形式。

对于电压输入ADC，存在三种不同的输入结构类型：单端、伪差分和全差分。

最简单的解决方案是选择与传感器输出相匹配的ADC输入结构。然而，每种结构都有需要考虑的权衡。此外，如果在传感器和ADC之间使用信号调节电路，则该电路会影响ADC 输入结构的选择。有些ADC是可配置的，允许在单端或伪差分输入结构（MAX186、MAX147）之间进行选择，而其他ADC则允许在单端或全差分（MAX1298、MAX1286）之间进行选择。

全差分输入

为了最大限度地抑制噪声，使用全差分输入。图1显示了一个全差分ADC T/H输入结构的示例。在充电模式下Csample+对[AIN+ Vdd/2]充电，Csample-对[AIN-Vdd/2]充电。当T/H 切换到保持模式时，Csample（+）和Csample（-）串联在一起，这样提供给ADC的电压样本是AIN（+）和AIN（-）的差值。差分结构和T/H中可接受的输入带宽是良好的动态共模抑制的关键因素。

差分输入的噪声可能会超过允许的输入范围。为获得最佳性能，请减小输入信号范围，以确保不会超出ADC输入范围。

差分信号的另一个主要优点是增加了动态范围。随着电源电压降到3.3V或更低，设计工程师正在寻找实现更大输入动态范围的方法。理论上，对于单端和全差分输入，给定相同的电压范围，全差分输入将具有两倍的动态范围（图2）。这是因为两个差分输入可以180°异相，如图3所示。

另一种考虑这一点的方法是与信噪比（SNR）有关。根据ADC的满标度输入电平和最小可检测信号定义SNR：

最小可检测信号通常受到噪声下限的限制。由于全差分输入的电压电平是满量程输入电压电平的2倍，并且具有优越的直流和交流共模抑制（表现为噪声），信噪比提高。

浮动差分输入

理想情况下，只要差分电压不超过ADC输入范围，就可以在差分系统中存在超过GND 和VDD的共模电压。实际上，只有在传感器和ADC被隔离的情况下，这是可以实现的。在

图4的例子中，AIN（+）和AIN（-）处的电压在ADC指定的输入范围内，但传感器输出电压上的大共模电压迫使ADC输入超过最大输入电压规格。

图5显示了相同的系统，但使用的是一个独立的电源，带有电隔离接地。RBias将输入偏置到VREF/2，以最大限度地减小因泄漏电流引起的漂移。只要接地之间存在隔离，ADC 只能看到AIN（+）和AIN（-）之间的电压差，因此传感器（或ADC）被称为“浮动”。（注：为确保电流隔离，必须考虑传感器接地和系统接地之间的所有泄漏路径。电池供电系统固有地提供隔离，前提是其机箱与内部ADC系统接地隔离）。

伪差分输入

伪差分输入与全差分输入类似，因为它们将信号地与ADC地分开，从而可以消除直流共模电压（与单端输入不同）。然而，与全差分输入不同，它们对动态共模噪声的影响很小。

在图6中，采样只发生在输入的AIN（+）信号上。公共信号，AIN（-）不采样。在“跟踪”模式下，采样电容器通过串联电阻RON充电。在“保持”模式下，采样电容器连接到AIN（-），并向ADC提供反向输入信号进行转换。因为采样只发生在AIN（+）输入上，所以在转换过程中，AIN（-）必须保持在±0.1LSB范围内，以获得最佳性能。

实现伪差分输入的另一种方法依次对AIN（+）和AIN（-）进行采样，并提供两个电压的差作为转换结果。对于动态信号，在采样期间，AIN（+）和AIN（-）的相位不匹配，从而导致失真。为动态时变信号选择具有全差分输入的ADC。

伪差分输入的一个典型应用是测量偏向于任意直流电平的传感器。有些部件，如MAX146，有一个COM引脚，允许参考共模电压的单端输入，使之成为伪差分。所有输入通道均参考COM电压。

图7显示了连接在惠斯通电桥应用中的热敏电阻。在本例中，AIN（+）和AIN（-）均为非零。ADC的输出代码是差分电压AIN（+）-AIN（-）的函数。伪差分输入抵消了直流共模电压。为确保AIN（-）稳定在±0.1LSB范围内，使用0.1μF电容器将AIN（-）旁路至模拟接地。

单端输入

单端输入通常足以满足大多数应用。在单端应用中，所有信号都在ADC处被引用到一个公共接地上。每个通道使用一个输入引脚。模拟接地引脚在多通道系统的所有输入之间共享。信号通路中的直流偏移和/或噪声将减小输入信号的动态范围。如果信号源和ADC彼此靠近（即在同一块板上，以便信号轨迹尽可能短），则单端输入是理想的。单端输入更容易受到耦合噪声和直流偏移的影响。然而，信号调节电路可以减少这些影响。

图8显示了单端ADC的跟踪保持（T/H）输入的简化示例。采样电容器在“跟踪”模式

下通过串联电阻切换到输入引脚。当T/H进入“保持”模式（在实际转换过程中）时，开关打开，ADC将采样电容器上的电压转换为数字代码。

共模电压和共模抑制比

共模电压是指共模电压（即，具有相同的幅值和相位，出现在两个差分输入端（图9））。共模抑制比（CMRR）通常用于全差分输入，并描述了ADC抑制共模（通常是直流）电压的能力。出现在ADC输入端的直流共模电压与直流输入偏移具有相同的效果。通常情况下，传感器信号和地线在物理上非常接近，并且会在共模噪声中耦合。共模噪声的最大来源通常是来自电力线的50/60Hz噪声。电源纹波、电动势、射频或高频开关噪声也可能是共模噪声的来源。

共模抑制比（CMRR）通常定义为差分电压增益与共模电压增益之比：

这里：