SAR ADC的原理以及SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

SAR ADC是一個(gè)非常常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一種在速度、分辨率和功率之間提供了很好平衡的折衷方案。SAR ADC的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是幾乎沒(méi)有延遲。因此在很多應(yīng)用領(lǐng)域都能看到使用SAR ADC。

本文將介紹SAR ADC的原理，以及SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)需要注意的一些要點(diǎn)。

SAR ADC原理

SAR ADC(Successive Approximation Register)，即逐次逼近型ADC。 如下圖，SAR ADC主要分成四個(gè)部分: 采樣保持電路、模擬比較器、SAR逐次逼近寄存器和DAC數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。

圖1：SAR ADC的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SAR ADC的工作過(guò)程主要有兩個(gè)階段：采樣階段和轉(zhuǎn)化階段。

采樣階段：

在采樣階段，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S1閉合，這時(shí)對(duì)ADC采樣電容C充電。

圖2：SAR ADC的采樣階段

轉(zhuǎn)化階段：

在轉(zhuǎn)化階段，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，S2閉合。

圖3：轉(zhuǎn)化階段

下圖是一個(gè)6-bit ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程：

采樣電容上的電壓與內(nèi)部DAC通過(guò)比較器上的電壓，從高位到低位，逐級(jí)比較。

逐次逼近寄存器在每個(gè)時(shí)鐘周期向內(nèi)部DAC提供額外的代碼。

如果采樣電容上的模擬電壓高于內(nèi)部DAC電壓，記為1

如果采樣電容上的模擬電壓高于內(nèi)部DAC電壓，記為0

圖4：6-bit ADC的轉(zhuǎn)換過(guò)程 所以，轉(zhuǎn)換時(shí)間是轉(zhuǎn)換取決于時(shí)鐘頻率和ADC分辨率。上圖示例中，轉(zhuǎn)化需要6個(gè)時(shí)鐘周期得到結(jié)果。結(jié)束轉(zhuǎn)化之后，大多數(shù)ADC會(huì)返回采樣階段。

SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為什么需要驅(qū)動(dòng)電路?

一般情況下，SAR ADC輸入結(jié)構(gòu)為開(kāi)關(guān)電容采樣電路。而電容的充放電需要足夠的電流來(lái)支持。同時(shí)由于電容的存在，加上開(kāi)關(guān)本身的一些片內(nèi)寄生電容，會(huì)將一些電荷反向注入電源，稱為電荷注入反沖，從而引起振蕩。

圖5：開(kāi)關(guān)電容采樣電路, 電荷注入反沖(圖片來(lái)源：ADI)

如上圖：開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)候，采樣;開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)候，轉(zhuǎn)化。每當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)候，電容本身存在的電荷反向注入傳感器，從而引起振蕩。我們需要額外的穩(wěn)定時(shí)間來(lái)排除這部分干擾。 為了給SAR ADC供電以及減少電荷反沖的影響。一般我們會(huì)在傳感器和SAR ADC之間，添加ADC驅(qū)動(dòng)電路(放大器)和開(kāi)關(guān)采樣電容充電RC電路。

圖6：SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(圖片來(lái)源：ADI)

開(kāi)關(guān)采樣電容充電RC電路

RC起到的作用是減少電荷反沖的影響以及限制寬帶噪聲。這項(xiàng)要求又對(duì)放大器選擇和性能構(gòu)成了進(jìn)一步的限制。 為了選擇合適的RC阻值和容值，我們至少要確保以下兩點(diǎn)： 第一，確保所選ADC驅(qū)動(dòng)器和RC電路能切實(shí)驅(qū)動(dòng)ADC。也就是說(shuō)RC電路的電阻阻值不能過(guò)于大。是否能夠足夠驅(qū)動(dòng)ADC，由ADC需要的輸入電流大小決定，也就是ADC輸入電阻大小決定。

第二，確保采樣電容上的電壓盡量接近輸入電壓。在轉(zhuǎn)化階段之前，確保采樣電容上的電壓盡量接近輸入電壓，且穩(wěn)定到所需的分辨率。

如下圖，在SAR ADC采樣階段，S1關(guān)閉，輸入電壓Vin通過(guò)電阻R對(duì)采樣電容C充電。采樣電容上的電壓和輸入電壓之間的電壓差應(yīng)小于LSB(最低有效位)的一半。

圖7：采樣電容上的電壓

下面我們來(lái)看看時(shí)間常數(shù)τ的計(jì)算。 采樣電容上的電壓Vc與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系：

如果只考慮ADC采樣電路結(jié)構(gòu)，時(shí)間常數(shù)t取決于內(nèi)部采樣電容器C和開(kāi)關(guān)電阻R。時(shí)間常數(shù)t等于R乘以C。

其中FSR為滿量程范圍，N為ADC的位數(shù)。 對(duì)于不同的分辨率，下表顯示了至少需要多少個(gè)時(shí)間常數(shù)才能保證誤差在1個(gè)LSB之內(nèi)。

比如一個(gè)8位ADC，至少要6倍于時(shí)間常數(shù)的時(shí)間，才能保證誤差在1個(gè)LSB之內(nèi)。 推導(dǎo)計(jì)算過(guò)程，這里就不展開(kāi)了，感興趣可以看下面這篇ADI的文章：精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì) 存在外部RC電路的情況下，需要一同考慮外部RC電路和內(nèi)部ADC采樣電路結(jié)構(gòu)中的RC以及存在的其他的寄生阻抗參數(shù)，來(lái)計(jì)算時(shí)間常數(shù)τ。這里就不展開(kāi)討論。 為RC電路選擇合適的電阻和電容，可訪問(wèn)Digi-Key相應(yīng)的產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)。

Digi-Key電阻

Digi-Key電容

ADC驅(qū)動(dòng)電路(放大器)

驅(qū)動(dòng)電路(放大器)的選擇，我們需要注意以下兩點(diǎn)：

放大器應(yīng)支持充電電流并能夠吸收電荷注入反沖。

該放大器的輸出需要在采樣邊緣的末端完全穩(wěn)定,使得對(duì)ADC輸入采樣時(shí)不會(huì)增加誤差。

這意味著放大器應(yīng)能提供瞬時(shí)電流階躍，對(duì)應(yīng)放大器應(yīng)該具有高壓擺率。對(duì)這些瞬態(tài)事件提供快速建立響應(yīng)，對(duì)應(yīng)放大器應(yīng)該具有高帶寬。 放大器選型時(shí)，可以通過(guò)壓擺率和帶寬等參數(shù)進(jìn)行篩選。通過(guò)Digi-Key網(wǎng)站，可以方便地根據(jù)參數(shù)選擇合適的放大器。

Digi-Key放大器

圖8：Digi-Key網(wǎng)站中放大器參數(shù)選項(xiàng)

SAR ADC的選擇

選擇合適的SAR ADC，能大大減少對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)難度。大家可以通過(guò)Digi-Key網(wǎng)站進(jìn)行快捷地選型。

Digi-Key SAR ADC

從SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的角度考慮，我們需要注意以下兩點(diǎn)：

長(zhǎng)采樣階段

較長(zhǎng)的采樣階段可以降低對(duì)驅(qū)動(dòng)放大器的建立要求，并且允許較低的RC電路截止頻率，這意味著可以使用噪聲較高且/或功率/帶寬較低的放大器?？梢栽赗C電路中使用較大的R值和較小的對(duì)應(yīng)C值，減少放大器穩(wěn)定性問(wèn)題，同時(shí)也不會(huì)大幅影響失真性能。較大的R值有助于在過(guò)壓條件下保護(hù)ADC輸入;同時(shí)還能降低放大器中的動(dòng)態(tài)功耗。

高輸入阻抗SAR ADC：

高輸入阻抗的優(yōu)勢(shì)在于：在慢速 (<10 kHz) 或直流類信號(hào)條件下支持低輸入電流，并且可在高達(dá)100kHz的輸入頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的失真 (THD) 性能。 我們以ADI AD4000舉例，AD4000支持高阻抗輸入模式，降低的輸入電流需求，能以比傳統(tǒng)SAR高得多的源阻抗來(lái)驅(qū)動(dòng)。這意味著，RC電路中的電阻值可以比傳統(tǒng)SAR設(shè)計(jì)大10倍。

圖9：AD4000高阻抗模式和普通模式對(duì)輸入電流的影響(圖片來(lái)源：ADI)

在慢速應(yīng)用中(信號(hào)帶寬<10 kHz)，高阻抗輸入帶來(lái)較低的輸入電流，我們可以用較低截止頻率的RC電路，低功率和帶寬的精密放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC，消除了使用專用高速ADC驅(qū)動(dòng)器的必要性，從而降低功耗、尺寸和成本。

精密ADC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)工具

如果你覺(jué)得上面SAR ADC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)很麻煩，也可以使用ADI精密ADC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)工具。你這樣一來(lái)，你就可以根據(jù)不同的參數(shù)來(lái)模擬仿真，從而縮短精密ADC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的時(shí)間。

圖10：ADI 精密ADC驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)工具 (圖片來(lái)源：ADI)

本文小結(jié)

SAR ADC是一個(gè)非常常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)往往是SAR ADC設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。理解SAR ADC原理。對(duì)于SAR ADC，RC電路、驅(qū)動(dòng)電路(放大器)，我們往往需要放在一起綜合考慮。了解每部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，使用適當(dāng)?shù)墓ぞ?，往往能事半功倍?如果你喜歡這篇文章，那就來(lái)“分享 + 點(diǎn)贊”吧!

原文標(biāo)題：SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)有點(diǎn)難?掌握了這些要點(diǎn)，讓你事半功倍!

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審核編輯：湯梓紅