以Analog Devices為例實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的SAR ADC轉(zhuǎn)換方案

許多數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制和儀表應(yīng)用都需要超高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），而逐次逼近寄存器 （SAR） 轉(zhuǎn)換器則能完全滿足這一要求。然而，我們必須確保 SAR 轉(zhuǎn)換器周圍的外部電路也能勝任這一任務(wù)，才能確保成功的轉(zhuǎn)換結(jié)果。對(duì)于 SAR 轉(zhuǎn)換器來說，需要特別注意的關(guān)鍵端子是其模擬信號(hào)輸入端——如果不加以重視，這些輸入引腳會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性問題和電容電荷“反沖”，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)確并延長信號(hào)采集時(shí)間。

在 SAR 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，精確控制輸入信號(hào)的解決方案在于運(yùn)算放大器（運(yùn)放）的驅(qū)動(dòng)。如搭配適當(dāng)?shù)妮敵?a target="_blank">電阻和電容值，這些器件就是高分辨率、16 位和 20 位 SAR 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的高精度穩(wěn)健解決方案的基礎(chǔ)。

本文將簡(jiǎn)要討論實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的 SAR ADC 轉(zhuǎn)換的相關(guān)問題。然后，介紹一款合適的運(yùn)放來驅(qū)動(dòng) SAR ADC，并說明如何實(shí)現(xiàn)必要的輸入驅(qū)動(dòng)電路。我們將以 Analog Devices 的解決方案為例進(jìn)行說明。

SAR ADC 輸入電路

SAR ADC 驅(qū)動(dòng)電路具有將 ADC 與其信號(hào)源隔離的運(yùn)算放大器（A1 和 A2）（圖 1）。在該電路中，Rext 通過“隔離”放大器的輸出級(jí)與 ADC 容性負(fù)載（CIN+ 和 CIN-）和 Cext 隔離來保持穩(wěn)定。Cext 和 CREF 為 ADC 提供了一個(gè)近乎完美的輸入源，可以吸收來自 IN+、IN- 和 REF 輸入端子的開關(guān)電荷注入。輸入端子 （IN+， IN-） 在轉(zhuǎn)換器的采集期間跟蹤輸入信號(hào) （VSIG+， VSIG-） 的電壓，為 ADC 輸入采樣電容 CIN+ 和 CIN- 充電。

以 Analog Device 的 AD7915 （16 位）和 AD4021（20 位）SAR ADC 為例觀察 ADC 內(nèi)部，可以看到該器件使用了電荷再分配數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）。容性 DAC 有兩個(gè)相同的二元加權(quán)電容陣列。這兩個(gè)電容陣列連接非反相和反相比較器輸入端（圖 2）。

在采集階段，輸入端（IN+ 和 IN-）切換到電容陣列。此外，SW+ 和 SW- 閉合，將最小有效位 （LSB） 電容與地 （GND） 相連。在這種狀態(tài)下，電容陣列成為采樣電容，采集 IN+ 和 IN- 模擬信號(hào)。采集階段結(jié)束后，控制邏輯（右側(cè)）的 CNV 輸入變?yōu)楦唠娖剑瑔?dòng)轉(zhuǎn)換階段。

轉(zhuǎn)換階段開始時(shí)，先斷開 SW+ 和 SW-，將兩個(gè)電容陣列切換到 GND。在這種配置下，捕獲的 IN+ 和 IN- 差分電壓會(huì)導(dǎo)致比較器變得不平衡。電荷再分配 DAC 在 GND 和 REF 之間有條不紊地將電容器陣列的每個(gè)元件從最重要的位 （MSB） 切換到 LSB。比較器輸入按二元加權(quán)電壓步長來變化 （VREF/2N-1， VREF/2N-2.。.VREF/4， VREF/2）。控制邏輯將開關(guān)從 MSB 切換為 LSB，使得比較器回到平衡狀態(tài)。這個(gè)過程結(jié)束后，ADC 返回采集階段，控制邏輯產(chǎn)生 ADC 輸出代碼。

輸入電荷注入、電路穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng) AD7915 ADC

轉(zhuǎn)換過程的關(guān)鍵是獲取準(zhǔn)確的輸入信號(hào)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)放大器準(zhǔn)確地向輸入電容器 CIN+ 和 CIN- 進(jìn)行充電時(shí)，ADC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程就會(huì)順利進(jìn)行，同時(shí)保持穩(wěn)定，直至 ADC 采集時(shí)間結(jié)束。對(duì)設(shè)計(jì)者來說，問題在于 ADC 的輸入端引入了一個(gè)電容 （CIN+， CIN-） 以及需要驅(qū)動(dòng)放大器進(jìn)行管理的開關(guān)噪聲或“反沖”電荷注入。

放大電路 Bode plot 可以快速估算電路穩(wěn)定性。Bode plot 工具可以近似地描述放大器的開環(huán)和系統(tǒng)閉環(huán)增益?zhèn)鬟f函數(shù)的大?。▓D 3）。

y 軸量化了放大器電路的開環(huán)增益 （AOL） 和閉環(huán)增益 （ACL），其中放大器的 AOL 曲線從 130 分貝 （dB） 開始，閉環(huán)增益 ACL 等于 0dB。沿 X 軸的單位以對(duì)數(shù)形式量化了從 100 赫茲 （Hz） 到 1 千兆赫茲 （GHz） 的開環(huán)和閉環(huán)增益頻率。

在圖 3 中，放大器在大約 220Hz （fO） 時(shí)的直流開環(huán)增益以 -20dB/ 十倍頻程的速度從 130dB 下降。隨著頻率的增加，這種衰減在持續(xù)并在大約 180 兆赫茲 （MHz） 時(shí)跨過 0dB。由于這條曲線表示單極系統(tǒng)，所以分頻器頻率 fU 等于單位增益穩(wěn)定放大器的增益帶寬乘積 （GBWP）。該圖代表一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，因?yàn)?AOL 和 ACL 的截止率是 20dB/ 十倍頻程。

加入 Rext 和 Cext 以及 SAR ADC 后，通過創(chuàng)建系統(tǒng)零點(diǎn)和極點(diǎn)來修改放大器電路（圖 4）。該系統(tǒng)包括一個(gè) 16 位、每秒 1 兆次 （MSPS） 的 AD7915 差分 PulSAR ADC 和一個(gè) 180 MHz、軌至軌輸入 / 輸出 ADA4807-1 放大器，該器件由 Analog Devices 提供。由于存在 30 皮法 （pF）（典型值）的 ADC 輸入電容負(fù)載，放大器和 ADC 的組合需要 Rext。該電路還需要 Cext 作為充電筒，在 ADC 輸入端提供足夠的電荷，以準(zhǔn)確匹配輸入電壓。

如圖 4 所示，由于電路在初始采集時(shí) ADC 的電容負(fù)載和 ADC 的開關(guān)電荷注入，有可能發(fā)生振蕩。Rext/Cext 放大器輸出元件所產(chǎn)生的額外極點(diǎn)和零點(diǎn)保證了系統(tǒng)穩(wěn)定，所以開環(huán)和閉環(huán)增益曲線交點(diǎn)大于 20dB/ 十倍頻程，使相位裕度小于 45°。這種配置與 fP2 和 fZ2 一起構(gòu)成一個(gè)不穩(wěn)定電路。

為避免不穩(wěn)定，在評(píng)估電路中帶有 Rext 和 Cext 的放大器開環(huán)增益曲線時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮放大器的開環(huán)輸出電阻 RO 的影響。阻值為 50 歐姆 （W） 的 RO 與 Rext、Cext 的組合通過引入一個(gè)極點(diǎn)（fP，公式 1）和一個(gè)零點(diǎn)（fZ，公式 2）來修正開環(huán)響應(yīng)曲線。RO、Rext 和 Cext 的值決定了 fP 的轉(zhuǎn)折頻率。Rext 和 Cext 的值決定了零轉(zhuǎn)折頻率 fZ。

fP 和 fZ 的計(jì)算結(jié)果是：

fP1 = 842 kHz

fZ1 = 2.95 MHz

其中：RO = 50 W

Rext = 20 W

Cext = 2.7 納法拉 （nF）

fP2 = 22.7 MHz

fZ2 = 79.5 MHz

其中：RO = 50 W

Rext = 20 W

Cext = 0.1 nF

上述 fP1 和 fZ1 的值使 AD7915 和 ADA4807-1 成為一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。

驅(qū)動(dòng) Easy Drive AD4021 SAR ADC

AD7915 的替代產(chǎn)品是 AD4021 20 位 1 MSPS Easy Drive SAR 轉(zhuǎn)換器。AD4021 器件系列將輸入反沖和輸入電流顯著降低至 0.5 微安 （μA）/MSPS。Easy Drive 器件的特點(diǎn)是能降低功耗和信號(hào)鏈復(fù)雜性。

AD4021 的模擬輸入端采用了能夠降低典型開關(guān)式電容 SAR 輸入非線性電荷反沖的電路。因?yàn)闇p少了反沖并延長了采集階段，因此可以使用較低帶寬、較低功率的驅(qū)動(dòng)放大器（圖 5）。

減少反沖并延長采集時(shí)間，也使得輸入電阻電容 （RC） 濾波器中的 Rext 電阻值增大，Cext 電容相應(yīng)減小。這種較小的 Cext 放大器負(fù)載組合提高了穩(wěn)定性，降低了功耗。

使用單路 5 伏電源的 AD4021 的推薦連接圖似乎具有類似電路圖。但對(duì)放大器的要求降低了，Rext/Cext（R 和 C）的值更?。▓D 6）。

圖 6 中，基于 SAR 的 AD4021 也采用了電荷再分配采樣 DAC。ADC 有一個(gè)板載轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和串行時(shí)鐘。因此，轉(zhuǎn)換過程不需要同步時(shí)鐘 （SCK） 輸入。這種時(shí)鐘配置可以延長采集時(shí)間，通過為輸入信號(hào)提供更長的時(shí)間使其建立至最終值，從而提高精度。

AD7915 和 AD4021 的驅(qū)動(dòng)放大器主要考慮的是噪聲，因?yàn)榉糯笃?/Rext/Cext 組合必須從滿量程階躍到 16 位水平 （0.0015%， 15ppm） 的 AD7915，以及 20 位水平 （0.00001%， 1ppm） 的 AD4021。

為了保持 AD7915 和 AD4021 的信噪比（ SNR） 性能，驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲必須小于 ADC 噪聲的三分之一。AD4021 的噪聲為 60 微伏有效值 （mVrms），這就要求放大器 /Rext/Cext 組合的噪聲小于 20mVrms。AD4021 的噪聲為 31.5 mVrms，這就要求放大器 /Rext/Cext 組合的噪聲小于 10.5 mVrms。

Analog Devices 的精密 ADC 驅(qū)動(dòng)器工具可幫助設(shè)計(jì)人員快速計(jì)算出正確的 Rext 和 Cext 值。通過選定的驅(qū)動(dòng)器和 ADC，該工具可以模擬電路的建立時(shí)間、噪聲和失真行為。

結(jié)語

SAR ADC 將繼續(xù)在超高速數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制和儀器儀表應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，我們需要考慮這類器件的外部輸入電路——驅(qū)動(dòng)放大器和輸入濾波器，以適應(yīng)潛在的開關(guān)電荷注入和放大器穩(wěn)定性問題。

大多數(shù) SAR 轉(zhuǎn)換器（如 AD7916 和 AD4021）精確控制輸入信號(hào)的解決方案都依賴運(yùn)放驅(qū)動(dòng)器，如本示例中的 ADA4807-1。如圖所示，這類器件在適當(dāng)?shù)妮敵鲭娮韬碗娙葜档闹С窒滦纬梢粋€(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，然后在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)高精度、穩(wěn)健、高分辨率、16 位或 20 位 SAR 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。
編輯：hfy