簡述SAR ADC 的基本操作

在要求采樣率低于 10 MSPS 的應用中，最常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器之一是SAR ADC。該 ADC 非常適合需要 8-16 位分辨率的應用。SAR ADC 是最容易理解的模數(shù)轉(zhuǎn)換器之一，一旦我們知道這種類型的 ADC 的工作原理，它的優(yōu)缺點就很明顯了。

SAR ADC 的基本操作

基本逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器如下圖所示：

SAR ADC 為每個樣本執(zhí)行以下操作：

1. 模擬信號被采樣并保持。
2. 對于每一位，SAR 邏輯向 DAC 輸出一個二進制代碼，該代碼取決于正在審查的當前位和已經(jīng)近似的先前位。比較器用于確定當前位的狀態(tài)。
3. 逼近所有位后，將在轉(zhuǎn)換結(jié)束 (EOC) 時輸出數(shù)字逼近。

SAR 操作最好解釋為二分搜索算法。考慮下面顯示的代碼。在此代碼中，正在審查的當前位設置為 1。由此產(chǎn)生的二進制代碼輸出到 DAC。這與模擬輸入進行比較。如果從模擬輸入中減去 DAC 輸出的結(jié)果小于 0，則審查位設置為 0。

%8?bit digital output is all zeros
digital output = zeros(1,8);
%Normalised to one for example
reference voltage = 1;
for i=1:8
 %current output bit set to 1:
 digital output(i)=1;
 compare threshold = 0;
 %Output digital output in current form to DAC:
 for j=1:i
  compare threshold = compare threshold+digital output(j)*reference voltage/(2?j);
 end
 %Comparator compares analog input to DAC output:
 if (input voltage?compare threshold<0)
  digital output(i)= 0;
 end
end

如果我們考慮 0.425 V 的模擬輸入值和 1 V 的參考電壓的示例，我們可以將 8 位 ADC 的輸出近似如下：

1. 將 8 位輸出的第一位設置為 1，因此輸出到 DAC 為 0.5
2. 0.425 減去 0.5 小于 0，所以將輸出的第一位設置為 0
3. 將 8 位輸出的第二位設置為 1，因此輸出到 DAC 為 0.25
4. 0.425 減去 0.25 大于 0，所以輸出的第二位是 1
5. 將 8 位輸出的第三位設置為 1，因此輸出到 DAC 為 0.375
6. 0.425 減去 0.375 大于 0，所以輸出的第三位是 1

對所有 8 位重復此過程，直到確定輸出為：

01101100

從這個過程中可以明顯看出，N 位 SAR ADC 必須需要 N 個時鐘周期才能成功逼近輸出。因此，盡管這些 ADC 功耗低且需要的空間很小，但它們不適合高速、高分辨率應用。由于這些 ADC 需要的空間非常小，因此它們通常被用作微控制器內(nèi)部的外設或采用極小的封裝。

功耗與采樣率成比例的事實可能不太直觀。因此，這些 ADC 非常適用于需要 ADC 不經(jīng)常進行采樣的低功耗應用。

在此架構中需要注意的一件事是缺少管道以及與此相關的延遲。因此，SAR ADC 適用于多路復用應用。

定義 ADC 整體特性的 ADC 的兩個特性并不奇怪，DAC 和比較器。

電容式 DAC

電容式 DAC 包含 N 個電容器，用于 N 位分辨率，并添加了第二個最低有效位電容器。電容式 DAC 的示例如下所示：

在采集過程中，公共端通過關閉 S11 接地，模擬輸入 (Ain) 對電容器進行充電和放電。如果通過打開 S1 斷開輸入，則會出現(xiàn)保持模式。然后打開 S11，將公共端驅(qū)動到-Ain。如果 S2 然后連接到 Vref，則等于 Vref/2 的電壓被添加到 -Ain。在此之后確定關于最高有效位的決定。

容性 DAC 的最大穩(wěn)定時間由最高有效位的穩(wěn)定時間決定。這是因為 DAC 輸出的最大變化發(fā)生在這個最高有效位上。

您可能會認為 16 位 SAR ADC 產(chǎn)生輸出所需的時間是 8 位 SAR ADC 的兩倍，因為輸出位是其兩倍。實際上，16 位 SAR ADC 中內(nèi)部 DAC 的建立時間比 8 位版本的建立時間要長得多。因此，與低分辨率版本相比，高分辨率 SAR ADC 的采樣率顯著降低。

整個 ADC 的線性度取決于內(nèi)部 DAC 的線性度。因此，ADC 分辨率受到內(nèi)部 DAC 分辨率的限制也就不足為奇了。

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比較器

比較器需要既準確又快速。與 DAC 一樣，比較器必須具有至少與 SAR ADC 一樣好的分辨率也就不足為奇了。與比較器相關的噪聲必須小于 SAR ADC 的最低有效位。

總結(jié)

SAR ADC 的優(yōu)勢

• 低功耗
• 體型小

SAR ADC 的弱點

• 高分辨率的低采樣率
• 由于 DAC 和比較器的限制，分辨率有限
• 大小隨位數(shù)增加

SAR ADC 的應用

非常適合采樣頻率低于 10 MHz 且分辨率在 8-16 位之間的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。