SAR ADC的模擬信號(hào)鏈和關(guān)鍵規(guī)格的詳細(xì)說明

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 將模擬世界連接到數(shù)字世界，因此是連接到現(xiàn)實(shí)世界的任何電子系統(tǒng)的基本部件。它們也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。本系列文章探討 ADC 的基礎(chǔ)知識(shí)、各種 ADC 類型及其應(yīng)用。本文為本系列關(guān)于模擬基礎(chǔ)知識(shí)文章的第 1 部分，將討論逐次逼近寄存器 （SAR） ADC。第 2 部分將討論三角積分 （Δ?） 轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在仍然是一個(gè)模擬世界，因此要讓感知的信息進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域，需要進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換。這一重任就由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來完成。多年來，成功崛起的三種 ADC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是逐次逼近寄存器 （SAR）、三角積分 （S-D） 和流水線 ADC。這三種 ADC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)截然不同，以便在不同的頻率范圍內(nèi)工作，服務(wù)于從低頻傳感器應(yīng)用到更高頻率的 LiDAR 或衛(wèi)星通信等所有領(lǐng)域。 SAR ADC 是第一種成為主流的轉(zhuǎn)換器。隨著時(shí)間的推移，這種轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)在各種應(yīng)用中，包括過程控制、醫(yī)療和早期數(shù)字音頻系統(tǒng)。這些應(yīng)用受益于 SAR ADC 的 8 位至 20 位輸出轉(zhuǎn)換范圍。但是，SAR ADC 賴以成名的原因是它會(huì)捕獲模擬輸入信號(hào)的快照，并使用多個(gè)信號(hào)快照來繪制一段時(shí)間內(nèi)的圖像。本文將簡(jiǎn)要介紹與 SAR ADC 密切相關(guān)的信號(hào)鏈。接下來，通過分析負(fù)責(zé) ADC 快照操作的基本輸入級(jí)，深入研究該 ADC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后，本文將介紹 SAR ADC 示例解決方案——Analog Devices 的 AD7625BCPZ 和 AD4020BCPZ-RL7，著重討論 ADC4020BCPZ-RL7 的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)制。另外，還提供了合適數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵規(guī)格。

　　SAR ADC 的模擬信號(hào)鏈

　　SAR ADC 常用于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、機(jī)器自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備和精密數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中。在所有 SAR ADC 應(yīng)用中，都存在一個(gè)需要適度 8 至 20 位分辨率數(shù)字表示的模擬信號(hào)，并且采樣速率從接近 DC 到每秒 15 兆 （MSPS）（在撰寫本文時(shí)）。 SAR ADC 能力強(qiáng)大，無(wú)需模擬前端 （AFE） 信號(hào)鏈即可工作。但是，如果設(shè)計(jì)人員的工作還包括在 SAR ADC 的前端成功呈現(xiàn)信號(hào)，則很有可能需要一定程度的信號(hào)調(diào)節(jié)。

　　圖 1：該示例 SAR ADC 信號(hào)鏈包括 X 射線探測(cè)器、AFE、放大器驅(qū)動(dòng)器、Analog Device 的 AD7625BCPZ 6 MSPS 轉(zhuǎn)換器，以及用于獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字接收器 （FPGA）。

　　在圖中，X 射線源經(jīng)行李箱將信號(hào)發(fā)送到 x 射線探測(cè)器。X 射線設(shè)備的工作是在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建行李箱的完整圖像，以減少旅客的不滿。前端獲取探測(cè)器信號(hào)并執(zhí)行信號(hào)調(diào)節(jié)功能，例如模擬增益和電平位移。然后信號(hào)被提供給 SAR ADC，在本例中為 Analog Devices 的 AD7625BCPZ。 SAR ADC 之前的放大器提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定功能，在放大器與 SAR ADC 之間通常有一個(gè)一階低通濾波器。該 SAR ADC 能夠以高達(dá) 6 MSPS 的速度采樣（每 167 納秒 ［ns］ 采樣一次），可以在短時(shí)間內(nèi)獲得多個(gè)快照。