ADC差分输入时，共模电压范围如何设置才能避免信号失真？

Question

在ADC差分输入应用中，如何正确设置共模电压范围以避免信号失真？ ADC差分输入模式下，输入信号的共模电压（Vcm）是关键参数。若Vcm超出ADC允许范围，可能导致内部输入级饱和或非线性，从而引发信号失真。例如，一个1.8V供电的ADC，其差分输入共模电压范围可能是0.2V至1.6V。如果输入信号的Vcm设为2V，则会超出范围，造成失真甚至损坏器件。 常见问题：设计中使用了不匹配的信号源驱动ADC，导致Vcm偏离规范。解决方法是通过电阻分压网络、缓冲放大器或变压器调整输入信号的Vcm，确保其始终处于ADC数据手册规定的范围内。此外，还需考虑输入信号摆幅和共模电平的关系，以实现最佳动态性能。

Answer 1

1. ADC差分输入模式的基础概念

在ADC差分输入应用中，理解共模电压（Vcm）的概念是关键。Vcm是指差分输入信号的平均值，即(Vin+ + Vin-)/2。如果Vcm超出ADC允许范围，可能会导致内部输入级饱和或非线性，从而引发信号失真。

• 例如，一个1.8V供电的ADC，其差分输入共模电压范围可能是0.2V至1.6V。
• 如果输入信号的Vcm设为2V，则会超出范围，造成失真甚至损坏器件。

2. 常见问题及原因分析

设计中常见的问题是使用了不匹配的信号源驱动ADC，导致Vcm偏离规范。这通常发生在信号源和ADC之间的阻抗不匹配、信号摆幅过大或者信号偏置设置不当的情况下。

问题类型	可能原因	解决思路
Vcm超出范围	信号源偏置过高或过低	调整信号源输出电平
信号失真	Vcm导致ADC输入级饱和	使用缓冲放大器调节Vcm

3. 解决方案与技术实现

为了确保输入信号的Vcm始终处于ADC数据手册规定的范围内，可以采用以下几种方法：

1. 电阻分压网络：通过简单的电阻分压器降低输入信号的幅度，并调整其偏置电平。
2. 缓冲放大器：使用运算放大器作为缓冲器，不仅可以调整Vcm，还可以隔离信号源和ADC之间的负载效应。
3. 变压器耦合：利用变压器将输入信号转换为差分信号，并通过中心抽头调整Vcm。

// 示例代码：使用运算放大器调整Vcm
// 输入信号Vin连接到运放同相端，输出连接到ADC差分输入
OpAmp.configure();
OpAmp.setInput(Vin);
OpAmp.setOutput(Adjusted_Vcm);

4. 输入信号摆幅与共模电平的关系

除了Vcm的范围外，还需要考虑输入信号摆幅与共模电平的关系。理想的差分输入信号应具有对称的摆幅，且其峰值不应超出ADC的输入范围。例如，对于1.8V供电的ADC，输入信号的摆幅应在0.2V至1.6V之间。

以下是动态性能优化的流程图：

graph TD;
    A[确定ADC输入范围] --> B{检查Vcm是否合适};
    B --不合适--> C[调整信号源];
    C --> D[使用缓冲放大器];
    D --> E[验证动态性能];
    B --合适--> E;