道合順大數據 發表於 2021-01-16 10:55:58
逐次逼近型（SAR）ADC 是在在工業，汽車，通訊行業中應用最廣泛的 ADC 之一，例如電機電流採樣，電池電壓電流監控，溫度監控等等。
通常工程師在設計 SAR ADC 時，通常需要注意以下三個方面：ADC 前端驅動設計，參考電壓設計，數位訊號輸出部分設計。本文將介紹 ADC 的前端驅動所需要的注意的一些要素。
如圖所示是一個常見的 SAR ADC 的驅動電路包括驅動放大器和 RC 濾波。接下來將從如何設計 RC 濾波器，以及如何選擇合適的運算放大器展開。
圖 1. SAR ADC 驅動電路基本架構
如何設計 RC 濾波網絡
首先我們來看一下 RC 網絡的設置，對於 RC 網絡，它的主要作用分為以下兩個方面：
1：對 ADC 的 Csh 進行充電，由於 ADC 採樣保持階段需要輸入給採樣保持電容 Csh 充電。如圖所示，開始採樣時，Csh 的電荷由輸入部分（Qfrm_opa）和 RC 濾波電容（Qfrm_cflit）提供，保證在一定時間內達到精度的要求。顯然，隨著採樣精度和採樣率的不斷提高，驅動 ADC 的難度加大，因為必須在有限的時間內採樣時間（tacq）內將 Csh 上的電壓達到滿足精度要求（1/2LSB 內）。所以我們在 ADC 前加入電容，當採樣保持階段時對 Csh 進行充電，保證採樣的精度。電阻則作為隔離作用，避免運放直接驅動容性負載，提升系統的穩定性。
圖 2. SAR ADC 採樣保持階段電流方向
2：RC 網絡同時也限制了輸入信號的帶寬，並且降低了運放帶來的噪聲量，但是於此同時，帶寬的限制會使信號的延長建立時間，引起信號的失真。
我們設計 RC 網絡的目標就是在有限的時間內採樣時間（tacq）內將 Csh 上的電壓達到滿足精度要求（1/2LSB 內），如果不加入 RC 或者 RC 選擇不合適，可能出現如圖所示的情況（橫坐標為時間，縱左邊為 Vfilt 電壓，可以看到信號幅值變化大且反向恢復時間長），這是因為運放的帶寬不足或者 RC 電路中電容太小，導致 Qfrm_opa 與 Qfrm_cflit 不能在採樣時間（tacq）內將電荷轉移至 Csh 中，如果在信號沒有達到足夠的採樣時間內進行採樣，就會產生信號失真。
圖 3. 不合適的 RC 濾波導致信號幅度變化大且反向恢復時間長
顯然，我們無法同一個 RC 網絡使用在不同的 SAR ADC 的應用中，那麼我們要怎麼去為 SAR ADC 設計一個合適的 RC 濾波網絡呢？
如下圖所示為 SAR ADC 的簡化原理圖，以最壞的情況，CSH 對地放電為例。當開關 S1 關閉時，開關 S2 打開時，電容 CIN 與 CSH 共享電荷可得出等式
如圖所示：
圖 5. SAR ADC 驅動 VIN 電壓
在 ADC 的採集階段，ADC 建立至 1/2LSB 所需要的 RC 時間常數
其中 tacq 為採集時間 Ntc 為建立所需的時間常數數目。所需的時間常數數目可以通過計算階躍大小 VSTEP 與建立誤差（本例為 1/2LSB）之比的自然對數來獲得：
由此，我們可以求出 RC 的時間常數根據可以得出 RC 的值以及帶寬。
以 TI 16 位 ADC：ADS8860 為例，從數據手冊第 8 頁可以得到以下信息：
圖 6. ADS8860 數據手冊數據
它的 MAX Conversion time 為 710ns ，Min Acquisition time 為 290ns ，吞吐率為 1Msps，假設，參考電壓為 5V，信號為 100kHz 的正弦波
那麼在轉換時間，信號最大變化量為：
因此選擇 R=8.6ohm，帶寬為 3.13MHz
將取值帶入仿真後可得圖，相對於沒有 RC 濾波的 ADC 而言，加入合適的 RC 濾波可以使 ADC-Vin 電壓變化幅度變小，反向建立時間也更短。
圖 7. 不合適的 RC 與加入計算後 RC 的 VIN 電壓波形對比
由我們的公式我們可以知道，當吞吐率越高時，我們對採樣保持的時間就相對越短，從而需要更大的 RC 帶寬。所以當隨著精度和採樣率的不斷提高，設計 RC 的難度會加大，我們需要權衡設計驅動的參數。
如何選擇適合的驅動放大器
首先必須說明的是驅動放大電路並不是總是需要的，他的作用通常有以下幾個：
用於信號類型的轉換，例如單端信號轉化為差分信號
以對信號進行調理，例如將信號放大 / 縮小等
如果輸入阻抗小，可以放置運放來增大輸入的阻抗，和減少輸出阻抗
限制帶寬，防止高頻信號輸入進行幹擾
當信號帶寬低，信號變化十分緩慢，如氣體，溫度等，可以直接使用 RC 進行驅動，降低成本，結構如圖所示。
圖 8. 無運放驅動 SAR ADC 電路簡圖
那麼在我們選擇運放的時候需要注意以下參數：運放的帶寬，運放的噪聲特性，運放的失真特性等。
運放的帶寬：帶寬大的運放可以讓 RC 電路更快的進行充電，一般來說，選擇運放的帶寬為 RC 濾波器的 4 倍以上，如果需要運放提供電壓增益則需要選擇更大帶寬的運放。但是同時帶寬大的運放往往靜態電流和失調 / 偏置電流會比較大，所以要進行取捨。
運放的噪聲特性：對於運放的噪聲特性來說，為了不讓運放的噪聲對 ADC 的精度產生影響，一般會使運放的總噪聲在 ADC 噪聲的 1/5 左右。如果，ADC 的 SNR 為 86dB，Vref=5V，那麼該系統中的總噪聲應該小於：
根據計算得出的總噪聲，取 ADC 噪聲的 1/5，進行計算可以計算出應該選擇的運放的 1/f 噪聲和寬帶噪聲的最大影響值，假設選用的運放有極小的 1/f 噪聲可以忽略不計的話，可以經過以下公式計算，得出結果：
像 Ti 的產品 OPA320，由數據手冊第 8 頁中可得，寬帶噪聲密度為可以滿足要求
圖 9. OPA320 數據手冊噪聲數據
運放的失真特性：對於 ADC 的驅動運放來說，我們通常需要選擇輸入輸出軌對軌的運放，防止不必要的輸出失真，但是通常正負軌對軌的運放價格相對的高，所以通常使用的是單電源輸入，單極軌對軌的運放。
編輯：hfy
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