模數轉換器（ADC）能夠將模擬量轉變成數字量，因此它是電學測量、控制領域中一個極為重要的部件。一般來說，一個模擬電壓信號，在進入ADC的輸入端之前，都需要增加一級驅動電路（Driver）；但是也有一些ADC具有“極貼心設計”的輸入端，這就無需在前級增加驅動電路了。那么到底什么時候該加，什么時候不該加呢？且聽楊老師娓娓道來~

向下箭頭分割線GIF動態加或不加，都得從原理說起，畢竟原理才是學習模電的重點。首先我們要知道，為什么要給ADC前端增加驅動電路？楊老在這兒給出了5條理由，包括：

* 輸入范圍調整* 輸入類型轉換* 低阻輸出，以減小測量誤差* 輸入類型轉換* 抗混疊濾波

其中，只要有一條是必要的，就必須使用ADC驅動電路。下面進行一一分析。

輸入范圍調整

任何一個ADC，都有輸入電壓范圍。當實際輸入電壓超出此范圍，將引起ADC轉換失效。而被轉換的信號，并不能保證在此范圍內，這就需要ADC驅動電路將其調整到合適的范圍之內。

輸入范圍調整，包括對信號的增益改變，以及直流電平移位兩個功能。

輸入類型轉換

原始輸入信號的輸出類型有兩種：單端型、差分型。而ADC的輸入類型有三種：單端型、全差分型和偽差分型。如果兩者不一致，就會影響ADC性能發揮。這就需要類型轉換電路，將信號類型演變成與ADC一致的類型。

一個電壓信號，如果用兩根線傳輸，且兩線電位做相反變化，則此信號為差分信號。一個電壓信號，如果用一根線傳輸，且默認地線為參考點，則此信號為單端信號。ADC的輸入端類型則稍復雜一些：

單端型：它只有一個輸入端AIN，實際輸入信號為此輸入端電壓uIN。

全差分型：它有兩個完全對稱的輸入端AIN+、AIN-，對應的電壓為uIN+、uIN-，則實際輸入電壓為，uIN+減去uIN-。

偽差分型：它有兩個不對稱的輸入端AIN+、AIN-，對應的電壓為uIN+、uIN-，則實際輸入電壓為，uIN+減去uIN-。關鍵是，AIN+端，允許輸入信號滿幅度變化，而AIN-端，像受欺負一樣，只被允許小幅度變化。

圖1 驅動電路實現信號和ADC之間的輸入類型轉換

圖1是常見的兩種輸入類型轉換。左邊將差分信號轉換成單端信號，適應于單端型ADC，右邊電路將單端信號轉換成差分信號，適應于后面的全差分ADC。這里有兩點需要注意：

左邊電路可以用另外一種方法實現，即將差分信號的一個端子直接接入單端ADC。

兩個電路中，可以發現，輸入都是騎在0V上的信號，而輸出都變成了大于0V的信號（騎在某個正電壓上），以適應于多數只能接受正電壓輸入的ADC。

低阻輸出，以減小測量誤差

有些原始信號，具有一定阻值的輸出電阻。將這樣的信號直接接入ADC，會帶來測量誤差。誤差的根源：多數ADC內部都有采樣電容，以實現采樣保持功能。這種ADC的內部結構一般如圖2和3所示。它由兩組開關，一個采樣電容CSAM，以及后續沒有畫出的轉換電路組成。

左圖2 ADC采樣階段 右圖3 ADC轉換階段

抗混疊濾波

當輸入被測信號頻率為fi，那么按照奈奎斯特定律，要想完整采集信號，采樣率fs必須大于2fi。當采樣率小于2fi時，一定會出現混疊現象，即采集的波形中出現很低的混疊頻率。圖4演示了混疊頻率的出現原因。圖中輸入信號為黑色的高頻信號，當采樣率小于2fi時，我們獲得的采樣點形成了紅色的波形，其頻率不是信號頻率，而是混疊頻率，很低。混疊現象欺騙了我們，因此我們不希望出現這種現象。一旦在數據中出現混疊頻率，后期即便增加軟件濾波，也是難以剔除的。

唯一的方法就是讓大于fs/2的頻率信號，不要出現在ADC的入端，或者這種頻率分量在ADC入端只有很小的幅度。因此，增加驅動電路，以濾除或者減小高于fs/2的頻率信號就成為必須。常見的方法是，給ADC入端之前，增加一級截止頻率為fH的無源低通電路，以實現抗混疊濾波。

電源級保護

一般來說，ADC的價格（幾美元到幾十美元甚至更高）會高于前端放大器價格。用廉價的東西保護昂貴的東西，是一個常用的方法。而ADC的前級驅動電路，就可以實現這種保護。

將ADC前端的驅動電路，用一個安全的供電電壓，就可以實現對ADC的電源級保護。所謂的電源級保護，是指驅動電路的輸出，不可能超過電源電壓。這樣，只要選擇電源電壓在ADC輸入端認可的安全范圍內，就可以保證ADC的輸入端不會超限。

圖5 驅動電路實現對ADC的電源級保護

如圖5所示。多數ADC輸入端承受最高電壓，就是其電源電壓。因此，將ADC的供電電壓與前端驅動電路的供電電壓，選擇成一致的，就可以實現對ADC入端的電源級保護了。