于高性能 ADC，在信號鏈中添加任何元件都會降低整體設備性能。
　　設計重點包括選擇硅工藝、電路設計、布局和 IC 封裝，以優(yōu)化電壓偏移、增益、信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD) 等規(guī)格。添加傳統(tǒng)緩沖器會影響這些規(guī)格，而且很多時候，這些緩沖器成為高性能 ADC 中的主要誤差源。傳統(tǒng)緩沖器的一種替代方案是預充電緩沖器，如圖1所示。本文將重點介紹預充電緩沖器在模擬輸入路徑和參考輸入路徑中的使用和優(yōu)勢?！　×私?ADC 中預充電緩沖器的好處

　　圖 1預充電緩沖器如何補充 24 位、400 KSPS ADS127L11 寬帶 delta-sigma ADC。德州儀器
　　簡化輸入放大器驅動要求的一種方法是在 ADC 輸入端使用電荷桶濾波器，其中差分電容比內部采樣電容大。這個簡單的電阻電容網絡（在圖 2中表示為 R filt和 C filt ）充當電荷儲存器，以提供輸入采樣電容 C in所需的大部分瞬時電流。外部濾波電容 C filt將峰值輸入電流從相對較高的電流脈沖（大約幾十毫安）降低到小于 1 毫安的峰值，平均電流為幾百微安。
　　使用大型外部輸入電容來降低峰值電流還可以降低輸入放大器的高帶寬要求，從而提供更廣泛的放大器選擇。這些額外的放大器選項使設計人員能夠針對低功耗、直流性能和許多其他設計標準進行優(yōu)化。
　　然而，使用大型外部輸入電容器的一個缺點是它會限制最大輸入信號頻率。它是一個一階低通電阻-電容器 RC 濾波器。另一個缺點是電容器阻抗在較高輸入頻率下變得非常低，導致高電流流過電容器。來自輸入放大器的高電流會導致系統(tǒng)功率耗散增加，這對于高密度或電池供電系統(tǒng)來說可能過大。
　　許多低功耗精密放大器可能無法支持高電流并保持良好的 SNR 和 THD。對于極低頻率的輸入信號或直流輸入，使用大型輸入濾波電容可能是一種可接受的方法，但對于 10 kHz 或更高的輸入頻率，負載電流和由此產生的功耗可能會變得高得令人無法接受。
　　預充電緩沖器的設計靈活性
　　另一個可以放寬輸入放大器驅動要求且不會降低 ADC 總精度的選項是預充電緩沖器。預充電緩沖器是專用放大器，它在采集周期的第一部分對 ADC 的內部采樣電容器充電，然后在采集周期的后半部分斷開連接，以實現(xiàn) ADC 輸入和內部采樣電容器之間的直接連接。在采集階段的最后一部分將內部采樣電容器直接連接到輸入端可消除信號路徑中預充電緩沖器中的任何錯誤。使用預充電緩沖器可將外部輸入放大器上的總動態(tài)負載降低 99% 以上。
　　預充電緩沖器的另一個好處是，與高帶寬外部輸入放大器結合使用時，總諧波失真 (THD) 更低。除了高速輸入放大器外，使用預充電緩沖器可以將總 THD 提高 10 dB 或更多。代價是額外的功耗（因為高速放大器和內部預充電緩沖器都啟用）與優(yōu)先考慮較低失真或較低功率的靈活性?！　×私?ADC 中預充電緩沖器的好處

　　圖 2帶有內部預充電緩沖器的全差分輸入放大器顯示在典型的高級信號鏈中。
　　預充電緩沖器的主要缺點是，在采集階段的后半段，完成對內部采樣電容器充電所需的動態(tài)電流很小。但是，該動態(tài)電流不到不啟用預充電緩沖器直接驅動輸入采樣電容器所需電流的 1%。而且，它允許使用帶寬低得多的放大器和更小的輸入濾波電容。
　　圖 2 顯示了典型的高級信號鏈，其中使用外部輸入放大器和內部預充電緩沖器對 C 進行充電，而圖 3 則重點介紹了預充電緩沖器的時序細節(jié)?！　×私?ADC 中預充電緩沖器的好處

　　圖 3粗采樣和精采樣階段的輸入采樣電容電壓 (V cin )。
　　AIN-Coarse、AIN-Fine 和 AIN-Reset 是內部開關控制信號。內部開關在控制電平為 1 時打開，在控制電平為 0 時關閉。查看 V cin波形（內部采樣保持電容器兩端的電壓），您可以看到預充電緩沖器如何將輸入電容器電壓充電至最終目標值的約 99.9%，即 AIN-Coarse = 1 階段的 3.98 V。外部輸入放大器只需在 AIN-Fine = 1 階段將內部采樣電容器充電至最終輸入電壓 4 V。
　　預充電緩沖器如何優(yōu)化輸入電流
　　如前所述，預充電緩沖器可降低驅動輸入所需的平均輸入電流。在啟用預充電緩沖器的情況下，可以推導出平均輸入電流的公式，但讓我們首先推導出不使用預充電緩沖器直接驅動輸入時的平均輸入電流的公式。平均輸入電流的公式 1 基于我們熟悉的電容器總電荷公式：
　　Qin = Cin ×Vin （1                      ）
　　其中 Q in是 C in上的總電荷，V in是采集周期結束時采樣電容器的電壓，它大約等于 ADC 輸入端的電壓。
　　由于采樣電容在轉換階段結束時復位為 0 V，因此可以按照公式 2 所示表示平均輸入電流：
　　I avg = Q in × F mod                   （2）
　　其中 F mod是調制器采樣率或 ADC 輸入處的采樣頻率。
　　對于ADS127L11 delta-sigma ADC，當使用高速模式時，調制器采樣率等于主時鐘頻率 F clk的一半。將公式 3 和公式 4 代入公式 2 可得出公式 5：
　　Qin = Cin ×Vin （3                                   ）
　　F mod = ? × F clk                    （4）
　　Iavg = ? × F clk × C in × V in                                ( 5 )
　　使用預充電緩沖器時，外部輸入放大器提供的電荷是輸入電容上總電荷的一小部分。在公式 6、7 和 8 中，G 表示預充電緩沖器的增益，理想值 G = 1，典型范圍為 0.995 < G < 1.005。如果將 AIN-coarse 階段結束時輸入電容充電到的電壓表示為 V in-coarse，則預充電緩沖器提供的電荷為：
　　Q粗= V粗×C （                                    6）
　　V粗略= G×V in                              （7）
　　將公式 7 代入公式 6 可得出公式 8：
　　Q粗= G×V × C （                                      8）
　　由于采集階段結束時輸入電容器上的總電荷為 C in × V in，因此可以將輸入端直接提供的電荷表示為 Q fine，如公式 9 和 10 所示：
　　Q總= C輸入×V輸入                                （9）
　　Q總= Q粗+ Q精                                       (10)
　　重新排列公式 10 可得到公式 11：
　　Q精加工= Q總加工– Q粗加工                                        （11）
　　將公式 8 和 9 代入公式 11 可得出公式 12 和 13：
　　Q精度=V精度×C精度-G精度×V精度×C精度                                        (12)
　　Q精加工= (1-G) × C精加工× V精加工                                 (13)
　　將公式 13 和 4 代入公式 2 可得出公式 14，即使用預充電輸入緩沖器時的平均輸入電流。
　　I平均預充電= ? × F clk × (1-G) × C in × V in                                    (14)
　　將公式 5 代入公式 14 可得出公式 15。我們現(xiàn)在可以看到，沒有預充電緩沖器的平均輸入電流 I avg現(xiàn)已減少了 (1-G) 倍，其中對于 ADS127L11 delta-sigma ADC，G 的典型范圍為 0.995 < G < 1.005：
　　I平均預充電= (1-G) × I平均                 (15)
　　外部濾波電容器 C filt提供大部分峰值電流，但外部輸入放大器仍必須驅動大量動態(tài)電流。與平均電流的減少非常相似，峰值電流也大幅下降。峰值電流的這種減少通常會降低總失真，這就是為什么使用預充電緩沖器和高速輸入放大器可以提供更好的系統(tǒng)性能的原因。
　　峰值輸入電流受內部 AIN-Fine 開關電阻 Rsw 限制，可使用公式 16 計算。對于 ADS127L11，流入 AINP 和 AINN 端子的差分輸入開關電阻通常為 165 Ω。當輸入電壓為 4 V 且無預充電緩沖器時，每個周期產生的峰值電流 I peak接近 24 mA（公式 17），這對于大多數精密放大器來說相當高。這就是為什么需要使用輸入濾波器來提供大部分峰值電流的原因。
　　I峰值=V輸入/Rsw （             16）
　　I峰值=4V/165?=24mA（17）
　　使用預充電緩沖器時，輸入采樣電容電壓的值非常接近 AIN-Fine 開關關閉時的輸入電壓 - 在預充電緩沖器的增益誤差范圍內。在 G = 0.995 的情況下，預充電緩沖器會在直接連接到 ADC 輸入之前將輸入電容電壓充電至約 3.98 V。產生的峰值輸入電流現(xiàn)在約為 121 μA，可以使用公式 18 中的這些值找到。結果如公式 19 和 20 所示。
　　I峰值=（Vin - Vcin ）/ Rsw （                18）
　　I峰值=（4V-3.98V）/165?（19）
　　I峰值= 121μA（20）
　　由于平均和峰值輸入電流均有所降低，預充電緩沖器可使用帶寬小于 10 MHz 的外部輸入放大器。這提供了更多的放大器選擇，從而可以優(yōu)化低頻噪聲、寬帶噪聲、失調電壓和其他應用規(guī)格。
　　參考輸入的預充電緩沖器
　　ADS127L11 delta-sigma ADC 還具有用于參考輸入的集成預充電緩沖器。與輸入預充電緩沖器非常相似，參考輸入預充電緩沖器可降低峰值和平均輸入電流。對于 ADS127L11，使用典型的 4.096 V 外部參考電壓，在高速模式下以 25.6 MHz 輸入時鐘頻率運行時，沒有預充電緩沖器的平均輸入電流為 778 μA。大多數參考可以輕松驅動 778 μA 的平均電流，但許多系統(tǒng)使用多個 ADC 通道，有八個或更多通道。
　　對于八通道系統(tǒng)，總基準電流將為 8 × 778 μA，即總共 6.2 mA，這對于精密基準來說相當高。例如，REF6041 的最大輸出電流為 4 mA，因此在這種情況下，單個基準無法驅動八個 ADC 基準輸入。REF7025是另一個不錯的選擇，具有出色的低頻噪聲和非常低的長期漂移。雖然 REF70 系列的最大輸出電流為 10 mA，但為了使用此基準實現(xiàn)最高精度，輸出電流應盡可能低。
　　使用內部參考預充電緩沖器解決了這一限制，因為平均輸入電流降至每個 ADC 2 μA。單個參考可以驅動多個通道，而無需擔心過載，無需額外的外部放大器，并降低了整體電路板尺寸和成本。圖 4顯示了使用單個參考驅動多個帶有集成參考預充電緩沖器的 ADC 的典型連接。

　　圖 4使用內部預充電緩沖器的多個 ADC 的典型參考連接。
　　根據設計中使用的參考和輸入放大器，您可能不需要內部預充電緩沖器來實現(xiàn)所選的整體系統(tǒng)規(guī)格。但是，啟用內部預充電緩沖器的選項在選擇外部組件時提供了更大的靈活性，從而提供了優(yōu)化系統(tǒng)設計的又一個工具。