動手做吧！TANE Penguins 第三部分:我說過可以輸入±40 V，但是……
概述
在先前的文章中，我們探討了如何評估類比數位轉換器（AD 轉換器）的解析度，以及一種提高解析度的技術：超取樣（oversampling）。在挑選類比數位轉換器時，確認解析度、取樣率和雜訊效能等規格至關重要。但還有另一個同樣重要的關鍵點：類比數位轉換器的輸入類型。在本文中，我將結合自己過去在處理類比數位轉換器輸入電壓範圍時所犯的一個技術支援失誤，來介紹單端（single-ended）、擬差動（pseudo-differential）與差動（differential）輸入類型之間的差異。
初次見面，大家好。我以社會新鮮人的身分加入了 MACNICA，目前擔任初階的半導體 FAE。由於我學生時代的學科背景完全屬於不同領域，因此在建立類比技術的專業知識時，覺得相當具有挑戰性。在提供客戶技術支援的過程中，我透過實際經驗累積並學到了許多事情。當然，這也代表著我在這條路上也曾犯過幾次錯誤。在本文中，我想分享其中一個與類比數位轉換器（AD 轉換器）其輸入結構相關的失誤經驗。我將藉由那次經驗，來為大家說明單端輸入、偽差動輸入與差動輸入之間的差異。
我說過可以輸入±40 V，但是……
有一天，一位客戶向我詢問關於使用 AD4857 類比數位轉換器（AD 轉換器）的設計問題。AD4857 支援寬廣的輸入範圍，並具備稱為 SoftSpan 的功能，可透過設定內部暫存器（registers）來變更輸入範圍。當我查閱規格書（datasheet）時，特色（features）章節寫著可以選擇 ±40 V 的輸入範圍。
圖 1：AD4857 規格書（datasheet）封面
接著，客戶問我是否也能輸入 ±30 V 的訊號。當時，我看了規格書（datasheet）上的最大輸入範圍後，便告訴客戶應該沒問題。然而，事後我再次核對規格書時，才意識到自己誤解了一件非常重要的事。
那麼，問題到底出在哪裡？
問題在於，規格書（datasheet）上寫的 ±40 V 輸入範圍，是在該元件採用差動輸入（differential input）時才適用。然而，客戶的電路是單端（single-ended）——更精確地說，是比較接近偽差動（pseudo-differential）的組態。這代表在這種情況下，該電路無法滿足輸入電壓的要求。換句話說，我犯了一個非常典型的錯誤。我只確認了最大輸入範圍，卻沒有仔細確認類比數位轉換器（AD 轉換器）的輸入類型。接下來，我將說明該如何評估輸入電壓範圍，並介紹類比數位轉換器各種輸入類型之間的差異。
圖 2：AD4857 電氣特性——電壓範圍
單端輸入與電壓範圍
圖 3：單端輸入結構
類比數位轉換器（AD 轉換器）最基本的輸入類型是單端輸入,在此結構中，輸入訊號是以類比數位轉換器的接地端（GND）為基準進行轉換。換句話說，輸入電壓範圍取決於訊號相對於接地端（GND）能擺幅（swing）多大。正因如此，可允許的輸入電壓通常被限制在從 GND 到參考電壓（reference voltage）附近，或是到工作電源電壓（supply voltage）附近的範圍內。單端輸入的優點之一是電路結構簡單。每個輸入只需一條訊號線，因此易於理解且方便使用。然而，這也是一種權衡（trade-off）由於訊號始終是相對於 GND 進行量測，因此地線雜訊（GND noise）會直接影響轉換結果。電源路徑中由迴流電流（return current）所引起的電壓變化，也可能會影響轉換結果。因此，單端輸入在高雜訊環境或需要高精度量測的應用中，可能會展現出其局限性。
偽差動輸入與電壓範圍
圖 4：偽差動輸入結構
偽差動輸入（pseudo-differential input）可以減少單端輸入的一些限制。在此組態下，類比數位轉換器（AD 轉換器）會量測 IN+ 與 IN− 之間的位準差。然而，IN− 通常是連接至訊號源的接地端（GND）。因此，即使類比數位轉換器量測的是 IN+ 與 IN− 之間的位準差，該訊號型態本質上通常仍接近單端訊號。關鍵重點在於，每個輸入接腳（pin）依然有其各自允許的電壓範圍。在許多情況下，這個範圍與單端輸入的範圍相似。相較於單端輸入，偽差動輸入有助於抵銷訊號源接地端（GND）上的雜訊或電壓偏移（voltage shifts）。這使得量測更加穩定，同時又能讓電路保持相對簡單。
差動輸入與電壓範圍
圖 5：差動輸入結構
在差動輸入（differential input）類型中，IN+ 與 IN− 皆作為訊號輸入端使用。類比數位轉換器（AD 轉換器）會對這兩個接腳之間的位準差進行轉換。關鍵重點在於，輸入範圍是由 IN+ 與 IN− 之間的差動電壓（differential voltage）所定義，而不是由各接腳相對於 GND 的電壓所決定。而這正好就是我在那次技術支援案例中所誤解的地方。舉例來說，±40 V 的差動輸入範圍指的是 IN+ 與 IN− 之間的位準差可以達到 ±40 V，例如 IN+ = 20 V 且 IN− = −20 V。因此，「±40 V 輸入範圍」並不代表每個輸入接腳都能隨時承受相對於 GND 的 ±40 V 電壓。你需要確認規格書（datasheet）中是如何定義輸入範圍的。相較於單端或偽差動輸入，差動輸入能有效將輸入範圍加倍，並擴展動態範圍（dynamic range）。
圖 6：使用差動輸入擴展動態範圍
另一個優點是抗雜訊能力（noise immunity）。由於訊號是同時施加於 IN+ 與 IN−，因此同時出現在兩條訊號線上的共模雜訊（noise in common）可以被抵銷。正因如此，差動輸入（differential input）具備強大的抗雜訊能力，經常被應用於需要高精度轉換的場合。
結論
在本文中，我介紹了類比數位轉換器（AD 轉換器）各種輸入類型之間的差異，並著重於該如何評估輸入電壓範圍。這個主題源自於我自己犯過的一個失誤。在查閱類比數位轉換器的規格書（datasheet）時，僅看特色（features）章節所標示的最大輸入範圍是不夠的。確認該規格適用於哪一種輸入類型同樣至關重要。單端（single-ended）、偽差動（pseudo-differential）與差動（differential）輸入各有其優點與權衡（trade-offs）。因此在挑選類比數位轉換器時，你需要選擇最符合自身電路設計與應用需求的輸入類型。
以下來自 Analog Devices（亞德諾半導體）的文章提供更詳細的資訊：https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/exploring-different-sar-adc-analog-input-architectures.html
