解析SAR-ADC 的內(nèi)部工作原理和轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)器要求

逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （SAR-ADC） 通常是中等分辨率應(yīng)用的首選架構(gòu)。市場(chǎng)上的 SAR 產(chǎn)品可以在高達(dá)幾兆赫茲的最大采樣率下運(yùn)行。然而，設(shè)計(jì)人員將其應(yīng)用需求與速度慢得多的 SAR-ADC 相匹配，以努力降低成本和布局問(wèn)題。在市場(chǎng)上，SAR-ADC 的分辨率范圍從 8 位到 18 位。

這種類(lèi)型的設(shè)備外形小巧，功耗低，這對(duì)于電池供電的應(yīng)用至關(guān)重要。在本文中，我們研究了 SAR-ADC 的內(nèi)部工作原理和轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)器要求。

SAR-ADC 的工作原理

SAR-ADC（圖 1）捕獲模擬電壓信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字字。模擬信號(hào)由外部采樣/保持設(shè)備或 SAR-ADC 的內(nèi)部采樣/保持功能捕獲。SAR-ADC 將此輸入電壓與轉(zhuǎn)換器外部或內(nèi)部參考電壓 （VREF） 的已知部分進(jìn)行比較。該基準(zhǔn)設(shè)置轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入電壓范圍。現(xiàn)代 SAR-ADC 使用電容式數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （C-DAC） 來(lái)連續(xù)比較位組合并將適當(dāng)?shù)奈辉O(shè)置或清除到數(shù)據(jù)寄存器中。

圖 1. 這是現(xiàn)代 SAR-ADC 16 位轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部采樣機(jī)制模型。在 VS 處獲取信號(hào)后，片選從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒋蜷_(kāi)輸入開(kāi)關(guān) （S1）。

在 SAR 轉(zhuǎn)換器的輸入端，輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)。請(qǐng)注意，閉合開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生與電容陣列串聯(lián)的開(kāi)關(guān)電阻 （RIN）。這些電容器的頂部連接到比較器的反相輸入。底部可以連接到輸入電壓、電壓參考 （VREF） 或接地 （V–）。最初，底部連接到輸入信號(hào) VS。一旦電容陣列完全獲取輸入信號(hào)，輸入開(kāi)關(guān) （S1） 打開(kāi)，轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換過(guò)程。

在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，MSB 電容器的底部連接到 VREF，而其他電容器連接到 V–（或系統(tǒng)接地）。這個(gè)動(dòng)作在所有電容器之間重新分配電荷。比較器的反相輸入根據(jù)電荷平衡上下移動(dòng)電壓。如果 SC 上的電壓大于 VREF 的一半，則轉(zhuǎn)換器將“0”分配給 MSB，并將該值從串行端口發(fā)送出去。如果該電壓小于 VREF 的一半，轉(zhuǎn)換器從串行端口發(fā)送一個(gè)“1”，轉(zhuǎn)換器將 MSB 電容器連接到 V–。在 MSB 分配之后，此過(guò)程對(duì) MSB-1 電容器重復(fù)。請(qǐng)注意，圖 1 未顯示 MSB-1 電容器，但其值為 8C。

發(fā)生 SAR-ADC 轉(zhuǎn)換過(guò)程所需的時(shí)間包括采集時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間。在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束時(shí)，SAR-ADC 進(jìn)入睡眠模式。

驅(qū)動(dòng)您的 SAR-ADC

圖 2中優(yōu)化的 ADC 驅(qū)動(dòng)器電路 使用運(yùn)算放大器 （op amp） 將 SAR-ADC 與高阻抗輸入源 VSIG 分離。以下 R/C 低通電路（RISO 和 CISO）執(zhí)行返回運(yùn)算放大器并轉(zhuǎn)發(fā)到 SAR-ADC 的功能。RISO 通過(guò)將放大器的輸出級(jí)與 CISO 隔離來(lái)保持放大器的穩(wěn)定。CISO 為 SAR-ADC 提供了一個(gè)近乎完美且穩(wěn)定的輸入源。該 CISO 跟蹤電壓的輸入信號(hào)，并在轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)間內(nèi)提供適當(dāng)?shù)?SAR-ADC 電荷。

圖 2. SAR-ADC 應(yīng)用設(shè)計(jì)需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路（運(yùn)算放大器、RISO 和 CISO），以確保 ADC 在轉(zhuǎn)換器的采集期間具有穩(wěn)定的輸入信號(hào)。

在設(shè)計(jì) SAR-ADC 電路時(shí)，首先要確定輸入信號(hào)的帶寬和滿量程范圍。然后，您選擇的 SAR-ADC 應(yīng)該與每個(gè) nyquist 的輸入信號(hào)帶寬相匹配。該轉(zhuǎn)換器還應(yīng)具有適合您系統(tǒng)的分辨率。在本設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵的 SAR-ADC 規(guī)格是電容陣列的累積值 CIN（相當(dāng)于 SAR-ADC 的輸入電容）、轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入范圍和采集時(shí)間 （tAQU）。

現(xiàn)在我們繼續(xù)通過(guò)確定它們的值來(lái)定義 RISO 和 CISO。圖 3 的示波器捕獲顯示了 SAR-ADC （ADS8326） 的輸入電荷注入瞬態(tài)。在此測(cè)量中，放大器緩沖器和 SAR-ADC （Ch1） 之間有一個(gè) 10 kOhm 電阻。開(kāi)始轉(zhuǎn)換或片選信號(hào)出現(xiàn)在頂部曲線 （Ch4） 上。請(qǐng)注意，提供給 SAR 轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗絕不應(yīng)該高達(dá) 10 kOhm？但這讓我們可以看到這個(gè) SAR-ADC 輸入端的高頻電流尖峰。

圖 3. 10 kOhm 電阻器捕獲 16 位 SAR-ADC （Ch1） 輸入處的電荷注入幅度。CS 引腳啟動(dòng)每次發(fā)生的雜散，雜散發(fā)生在 ADC 的采集周期 （Ch4）。

SAR-ADC 輸入處的電荷注入發(fā)生在轉(zhuǎn)換器獲取輸入信號(hào)時(shí)。這些高頻尖峰對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器提出了非?？量痰呢?fù)載。

如圖1 所示，SAR 轉(zhuǎn)換器很少有內(nèi)置輸入緩沖放大器。該電路需要一個(gè)具有無(wú)失真、軌到軌輸入級(jí)的運(yùn)算放大器（請(qǐng)參見(jiàn) OPA364 數(shù)據(jù)表，第 8 頁(yè)）。該放大器的輸出級(jí)跨度為正電源以下 100 mV 至 100 mV。

RISO 和 CISO（圖 2）的功能是為這種電荷注入提供一個(gè)到地的路徑，并將運(yùn)算放大器的輸出與這些瞬態(tài)隔離。RISO 和 CISO 有效地完成了將放大器與容性負(fù)載隔離并從 SAR-ADC 吸收電荷尖峰的任務(wù)。然而，這兩個(gè)組件也會(huì)改變放大器的開(kāi)環(huán)增益響應(yīng)，如波特圖所示。

圖 4 顯示了一個(gè)示例運(yùn)算放大器，該系統(tǒng)的波特圖。查看左側(cè) y 軸如何繪制放大器的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益。右側(cè) y 軸繪制放大器的開(kāi)環(huán)相位響應(yīng)。x 軸繪制頻率。

圖 4. 帶有 RISO|CISO 負(fù)載的 OPA364 開(kāi)環(huán)增益/相位與頻率的關(guān)系。

該放大器 （OPA364） 的開(kāi)環(huán)增益曲線在 10 Hz 時(shí)具有 100 dB 的增益。隨著頻率的增加，該增益曲線（~100 Hz）變?yōu)?–20 dB/decade 的斜率。該斜率一直持續(xù)到曲線持續(xù)超過(guò) 0 dB。開(kāi)環(huán)增益曲線與 0 dB 的交點(diǎn)處的頻率為 7 MHz。

當(dāng)外部電路 （RISO|CISO） 加載放大器時(shí)，會(huì)修改開(kāi)環(huán)增益曲線。在圖 4 中，藍(lán)色曲線代表修改后的開(kāi)環(huán)曲線。RISO 和 CISO 以及放大器的輸出電阻在 fPX 處產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，在 fZX 處產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)。如圖 4所示，RISO 和 CISO 的極點(diǎn)出現(xiàn)在 769 kHz，而零點(diǎn)出現(xiàn)在 1.6 MHz。這條修改后的開(kāi)環(huán)增益曲線的斜率從 –20 dB/decade 變?yōu)?–40 dB/decade 斜率，fPX 變?yōu)?–20 dB/decade 斜率，fPZ 在 1.6 MHz 為零。

電路穩(wěn)定性定義在開(kāi)環(huán)增益曲線和閉環(huán)增益曲線的交點(diǎn) （3.2 MHz）。在這個(gè)交點(diǎn)處，如果這兩條曲線的斜率之差為 20 dB/decade，則放大器將是穩(wěn)定的。如果這些斜率之間的差異大于 20 dB/decade（例如，40 dB/decade），則放大器電路將略微穩(wěn)定。

為了盡量減少內(nèi)部采樣電容的非線性效應(yīng)，以及盡量減少電荷注入對(duì)輸入電壓的影響，最小 CISO 值是內(nèi)部 SAR-ADC 采樣電容大小的 20 倍。通過(guò)注意這個(gè) R|C 電路必須在轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)間內(nèi)完全穩(wěn)定，可以找到 RISO 值。

結(jié)論

這是對(duì) SAR-ADC 輸入結(jié)構(gòu)和模擬驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)策略的快速概述。SAR-ADC 的輸入結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)間內(nèi)等于采樣電容陣列。為了確保輸入信號(hào)在采集期間保持穩(wěn)定，一種有效的設(shè)計(jì)策略是在放大器的輸出和轉(zhuǎn)換器的輸入之間放置一個(gè) R|C 對(duì)。

參考

1.“外部組件提高 SAR-ADC 精度”，Baker，Oljaca，EDN，2007 年 6 月 7 日。

2.“在驅(qū)動(dòng) SAR ADC 時(shí)從正確的運(yùn)算放大器開(kāi)始，”O(jiān)ljaca，Baker，EDN，2008 年 10 月 16 日

。3 。 下載這些數(shù)據(jù)表：OPA364、ADS8361。

關(guān)于作者

Bonnie Baker是德州儀器 （TI） Webench 團(tuán)隊(duì)的高級(jí)應(yīng)用工程師，從事模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作超過(guò) 25 年。她撰寫(xiě)了數(shù)百篇文章、設(shè)計(jì)和應(yīng)用說(shuō)明、會(huì)議論文，并撰寫(xiě)了一本書(shū)：“A Baker‘s Dozen： Real Analog Solutions for Digital Designers”。