当今许多电子仪器依靠微控制器或数字信号处理器(dsp)来处理现实世界的信号。传感器将自然参数，如温度或压力，转换成电压或电流。数字转换器(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之间使用信号调理电路，该电路会影响ADC输入结构的选择。一些adc是可配置的，允许选择单端或伪差分输入结构(MAX186, MAX147)，而其他adc允许选择单端或全差分输入结构(MAX1298, MAX1286)。

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。在跟踪模式下，Csample(+)充电到[AIN(+) Ð V(DD)/2]， Csample(-)充电到[AIN(-) Ð V(DD)/2]。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的电压样本就是AIN(+)和AIN(-)的差值。差分结构与可接受的输入带宽在T/H是良好的动态共模抑制的关键因素。

在嘈杂的环境中，耦合噪声可能导致差分输入超过ADC的允许输入电压范围。为了获得最佳性能，请减小输入信号范围，以确保ADC的输入范围不超过。

差分信号的另一个主要优点是增加了动态范围。随着电源下降到3.3V甚至更低，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，给定相同电压范围的单端和全差分输入，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。

考虑这个问题的另一种方式是信噪比(SNR)。信噪比根据ADC的满量程输入电平和最小可检测信号来定义:

最小可探测信号通常受到本底噪声的限制。由于全差分输入具有2倍满量程输入电压水平，并且具有优越的直流和交流共模抑制(表现为噪声)，信噪比增加。

浮动差分输入

理想情况下，差分系统中可以存在超过GND和V(DD)的共模电压，前提是差分电压不超过ADC输入范围。在实践中，这只有在传感器和ADC隔离的情况下才能实现。在图4的示例中，AIN(+)和AIN(-)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，但使用一个单独的电源与电隔离的接地。R(偏置)将输入偏置到V(REF)/2，以最小化由于泄漏电流引起的漂移。只要接地之间存在隔离，ADC就只能看到AIN(+)和AIN(-)之间的差分电压，因此换能器(或ADC)被称为“浮动”。(注:为了确保电流隔离，必须考虑换能器地和系统地之间的所有漏电路径。电池供电的系统本质上提供隔离，只要它的机箱与内部ADC系统接地隔离)。

Pseudo-Differential输入

伪差分输入类似于全差分输入，因为它们将信号地与ADC地分开，允许消除直流共模电压(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AIN(+)信号上。公共信号AIN(-)不采样。在“TRACK”模式中，采样电容通过串联电阻R(ON)充电。在“HOLD”模式下，采样电容连接到AIN(-)，并将一个反向输入信号提供给ADC进行转换。由于采样只发生在AIN(+)输入上，因此在转换过程中AIN(-)必须保持在±0.1LSB内以获得最佳性能。

另一种实现伪差分输入的方法是依次采样AIN(+)和AIN(-)，并提供两个电压的差值作为转换结果。

对于动态信号，采样时AIN(+)和AIN(-)的相位不匹配，导致失真。为动态时变信号选择具有全差分输入的ADC。

伪差分输入的典型应用是测量偏置到任意直流电平的传感器。一些部件，如MAX146，有一个COM引脚，允许参考共模电压的单端输入，使其成为伪差分。所有输入通道都参考COM电压。

图7显示了惠斯通电桥应用中连接的热敏电阻。在这个例子中，AIN(+)和AIN(-)都是非零的。ADC的输出代码将是差分电压AIN(+) - AIN(-)的函数。伪差分输入抵消了直流共模电压。为了确保AIN(-)稳定在±0.1 lsb以内，请使用0.1µF电容将AIN(-)旁路接地。

单端输入

对于大多数应用来说，单端输入通常是足够的。在单端应用中，所有信号都引用到ADC的公共地。每个通道使用单个输入引脚。多通道系统的所有输入共用接地引脚。信号路径中的直流偏置和/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(即在同一板上，以便信号走线尽可能短)，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置的影响。然而，信号调理电路可以减少这些影响。

图8显示了单端ADC跟踪保持(T/H)输入的简化示例。在“TRACK”模式期间，采样电容通过串联电阻切换到输入引脚。当T/H进入“HOLD”模式时(在实际转换过程中)，开关打开，ADC将采样电容上的电压转换为数字代码。

共模电压和共模抑制比

共模电压是指出现在两个差分输入上的共同电压(即具有相同的幅度和相位)(图9)。共模抑制比(CMRR)通常用于全差分输入，并描述adc抑制共模(通常为直流)电压的能力。在ADC输入端出现的直流共模电压与直流输入偏置具有相同的效果。通常，传感器信号和地线在物理上很接近，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、EMF、RF或高频开关噪声也可能是共模噪声的来源。

共模抑制比(CMRR)一般定义为差分电压增益与共模电压增益之比:

地点:

A(DIFF) =差分电压增益

A(CM) =共模电压增益

对于adc，差分电压增益(A(DIFF))定义为得尔塔Output_Code/得尔塔Differential_Voltage，共模电压增益定义为得尔塔Output_Code/得尔塔Common_Mode_Voltage。对于全差分输入，输出代码的变化相对于共模电压很小;因此，CMRR将很大，通常以对数尺度表示。

重要的是要注意，CMRR是一个依赖于频率的参数。随着共模电压频率的增加，AIN(+)和AIN(-)之间的相位匹配变得更加难以维持，从而实现最佳的共模抑制。因此，共模抑制在高频时效果较差。

总结

将传感器连接到ADC需要将传感器/信号调理输出与ADC输入相匹配。电压输出传感器提供单端或差动输出。对于单端信号，所有输入均参考系统地。差分信号提供一个正信号和一个负信号，正输出(AIN+)参考负输出(AIN-)。

三种常见的ADC输入结构可容纳单端或差分输出传感器:单端、伪差分或全差分。最简单的方法是在测量单端信号时使用单端ADC。如果使用差分ADC测量单端信号，只需将ADC AIN(-)引脚连接到地。这允许使用多通道差分输入ADC测量单端和差分信号。

差分输入通过测量传感器正极和负极之间的电压差，可以提供优于单端输入的性能改进。这提供了共模抑制。选择伪差分adc来抑制直流共模电压。对于需要激励的传感器，使用伪差分adc可以将偏置电压归零，并允许传感器地与地不同。伪差分输入不提供交流共模抑制。对于动态共模抑制，选择全差分adc。全差分输入通过抑制直流和动态共模电压提供最佳性能。使用哪种输入结构的最终选择将取决于传感器、信号调理电路、应用和精度要求。