SAR ADC的原理以及SAR ADC驱动电路设计要点 |
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SAR ADC的原理以及SAR ADC驱动电路设计要点
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SAR ADC是一个非常常见的拓扑结构，这是一种在速度、分辨率和功率之间提供了很好平衡的折衷方案。SAR ADC的一个关键优势是几乎没有延迟。因此在很多应用领域都能看到使用SAR ADC。 本文将介绍SAR ADC的原理，以及SAR ADC驱动电路设计需要注意的一些要点。 SAR ADC原理 SAR ADC(Successive Approximation Register)，即逐次逼近型ADC。 如下图，SAR ADC主要分成四个部分: 采样保持电路、模拟比较器、SAR逐次逼近寄存器和DAC数字模拟转换器。
图1：SAR ADC的典型拓扑结构 SAR ADC的工作过程主要有两个阶段：采样阶段和转化阶段。 采样阶段： 在采样阶段，开关S2断开，开关S1闭合，这时对ADC采样电容C充电。
图2：SAR ADC的采样阶段 转化阶段： 在转化阶段，开关S1断开，S2闭合。
图3：转化阶段 下图是一个6-bit ADC转换过程： 采样电容上的电压与内部DAC通过比较器上的电压，从高位到低位，逐级比较。 逐次逼近寄存器在每个时钟周期向内部DAC提供额外的代码。 如果采样电容上的模拟电压高于内部DAC电压，记为1 如果采样电容上的模拟电压高于内部DAC电压，记为0
图4：6-bit ADC的转换过程 所以，转换时间是转换取决于时钟频率和ADC分辨率。上图示例中，转化需要6个时钟周期得到结果。结束转化之后，大多数ADC会返回采样阶段。 SAR ADC驱动电路设计 为什么需要驱动电路? 一般情况下，SAR ADC输入结构为开关电容采样电路。而电容的充放电需要足够的电流来支持。同时由于电容的存在，加上开关本身的一些片内寄生电容，会将一些电荷反向注入电源，称为电荷注入反冲，从而引起振荡。
图5：开关电容采样电路, 电荷注入反冲(图片来源：ADI) 如上图：开关闭合的时候，采样;开关打开的时候，转化。每当开关闭合的时候，电容本身存在的电荷反向注入传感器，从而引起振荡。我们需要额外的稳定时间来排除这部分干扰。 为了给SAR ADC供电以及减少电荷反冲的影响。一般我们会在传感器和SAR ADC之间，添加ADC驱动电路(放大器)和开关采样电容充电RC电路。
图6：SAR ADC驱动电路设计(图片来源：ADI) 开关采样电容充电RC电路 RC起到的作用是减少电荷反冲的影响以及限制宽带噪声。这项要求又对放大器选择和性能构成了进一步的限制。 为了选择合适的RC阻值和容值，我们至少要确保以下两点： 第一，确保所选ADC驱动器和RC电路能切实驱动ADC。也就是说RC电路的电阻阻值不能过于大。是否能够足够驱动ADC，由ADC需要的输入电流大小决定，也就是ADC输入电阻大小决定。 第二，确保采样电容上的电压尽量接近输入电压。在转化阶段之前，确保采样电容上的电压尽量接近输入电压，且稳定到所需的分辨率。 如下图，在SAR ADC采样阶段，S1关闭，输入电压Vin通过电阻R对采样电容C充电。采样电容上的电压和输入电压之间的电压差应小于LSB(最低有效位)的一半。
图7：采样电容上的电压 下面我们来看看时间常数τ的计算。 采样电容上的电压Vc与时间的函数关系：
如果只考虑ADC采样电路结构，时间常数t取决于内部采样电容器C和开关电阻R。时间常数t等于R乘以C。
其中FSR为满量程范围，N为ADC的位数。 对于不同的分辨率，下表显示了至少需要多少个时间常数才能保证误差在1个LSB之内。
比如一个8位ADC，至少要6倍于时间常数的时间，才能保证误差在1个LSB之内。 推导计算过程，这里就不展开了，感兴趣可以看下面这篇ADI的文章：精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计 存在外部RC电路的情况下，需要一同考虑外部RC电路和内部ADC采样电路结构中的RC以及存在的其他的寄生阻抗参数，来计算时间常数τ。这里就不展开讨论。 为RC电路选择合适的电阻和电容，可访问Digi-Key相应的产品网页。 Digi-Key电阻 Digi-Key电容 ADC驱动电路(放大器) 驱动电路(放大器)的选择，我们需要注意以下两点： 放大器应支持充电电流并能够吸收电荷注入反冲。 该放大器的输出需要在采样边缘的末端完全稳定,使得对ADC输入采样时不会增加误差。 这意味着放大器应能提供瞬时电流阶跃，对应放大器应该具有高压摆率。对这些瞬态事件提供快速建立响应，对应放大器应该具有高带宽。 放大器选型时，可以通过压摆率和带宽等参数进行筛选。通过Digi-Key网站，可以方便地根据参数选择合适的放大器。 Digi-Key放大器
图8：Digi-Key网站中放大器参数选项 SAR ADC的选择 选择合适的SAR ADC，能大大减少对驱动电路的要求，简化驱动电路设计难度。大家可以通过Digi-Key网站进行快捷地选型。 Digi-Key SAR ADC 从SAR ADC驱动电路设计的角度考虑，我们需要注意以下两点： 长采样阶段 较长的采样阶段可以降低对驱动放大器的建立要求，并且允许较低的RC电路截止频率，这意味着可以使用噪声较高且/或功率/带宽较低的放大器。可以在RC电路中使用较大的R值和较小的对应C值，减少放大器稳定性问题，同时也不会大幅影响失真性能。较大的R值有助于在过压条件下保护ADC输入;同时还能降低放大器中的动态功耗。 高输入阻抗SAR ADC： 高输入阻抗的优势在于：在慢速 (
图9：AD4000高阻抗模式和普通模式对输入电流的影响(图片来源：ADI) 在慢速应用中(信号带宽 精密ADC驱动器设计工具 如果你觉得上面SAR ADC驱动设计很麻烦，也可以使用ADI精密ADC驱动器设计工具。你这样一来，你就可以根据不同的参数来模拟仿真，从而缩短精密ADC驱动器设计的时间。
图10：ADI 精密ADC驱动器设计工具 (图片来源：ADI) 本文小结 SAR ADC是一个非常常见的拓扑结构。驱动电路设计往往是SAR ADC设计的一个难点。理解SAR ADC原理。对于SAR ADC，RC电路、驱动电路(放大器)，我们往往需要放在一起综合考虑。了解每部分的设计要点，使用适当的工具，往往能事半功倍。 如果你喜欢这篇文章，那就来“分享 + 点赞”吧! 原文标题：SAR ADC驱动电路设计有点难?掌握了这些要点，让你事半功倍! 文章出处：【微信公众号：得捷电子DigiKey】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。 审核编辑：汤梓红 声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。 举报投诉 adi adi +关注 关注 144文章 45782浏览量 243665 驱动电路 驱动电路 +关注关注 152文章 1486浏览量 107870 SAR ADC SAR ADC +关注关注 2文章 15浏览量 7582原文标题：SAR ADC驱动电路设计有点难？掌握了这些要点，让你事半功倍！ 文章出处：【微信号：得捷电子DigiKey，微信公众号：得捷电子DigiKey】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。 收藏 人收藏扫一扫，分享给好友 复制链接分享 评论发布评论请先 登录 相关推荐 解读SAR ADC驱动运算放大器选择 我们介绍了 SAR 型 ADC 驱动电路的设计程序，还阐述了如何进一步优化 SAR 前端的 RC 电路 发表于 03-19 14:24 •6119次阅读
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