逐次逼近型(SAR)ADC 是在在工業(yè),汽車,通訊行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的 ADC 之一,例如電機(jī)電流采樣,電池電壓電流監(jiān)控,溫度監(jiān)控等等。
通常工程師在設(shè)計(jì) SAR ADC 時(shí),通常需要注意以下三個(gè)方面:ADC 前端驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),參考電壓設(shè)計(jì),數(shù)字信號(hào)輸出部分設(shè)計(jì)。本文將介紹 ADC 的前端驅(qū)動(dòng)所需要的注意的一些要素。
如圖所示是一個(gè)常見(jiàn)的 SAR ADC 的驅(qū)動(dòng)電路包括驅(qū)動(dòng)放大器和 RC 濾波。接下來(lái)將從如何設(shè)計(jì) RC 濾波器,以及如何選擇合適的運(yùn)算放大器展開(kāi)。
圖 1. SAR ADC 驅(qū)動(dòng)電路基本架構(gòu)
如何設(shè)計(jì) RC 濾波網(wǎng)絡(luò)
首先我們來(lái)看一下 RC 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置,對(duì)于 RC 網(wǎng)絡(luò),它的主要作用分為以下兩個(gè)方面:
1:對(duì) ADC 的 Csh 進(jìn)行充電,由于 ADC 采樣保持階段需要輸入給采樣保持電容 Csh 充電。如圖所示,開(kāi)始采樣時(shí),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(shí)間內(nèi)達(dá)到精度的要求。顯然,隨著采樣精度和采樣率的不斷提高,驅(qū)動(dòng) ADC 的難度加大,因?yàn)楸仨氃谟邢薜臅r(shí)間內(nèi)采樣時(shí)間(tacq)內(nèi)將 Csh 上的電壓達(dá)到滿足精度要求(1/2LSB 內(nèi))。所以我們?cè)?ADC 前加入電容,當(dāng)采樣保持階段時(shí)對(duì) Csh 進(jìn)行充電,保證采樣的精度。電阻則作為隔離作用,避免運(yùn)放直接驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖 2. SAR ADC 采樣保持階段電流方向
2:RC 網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也限制了輸入信號(hào)的帶寬,并且降低了運(yùn)放帶來(lái)的噪聲量,但是于此同時(shí),帶寬的限制會(huì)使信號(hào)的延長(zhǎng)建立時(shí)間,引起信號(hào)的失真。
我們?cè)O(shè)計(jì) RC 網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)就是在有限的時(shí)間內(nèi)采樣時(shí)間(tacq)內(nèi)將 Csh 上的電壓達(dá)到滿足精度要求(1/2LSB 內(nèi)),如果不加入 RC 或者 RC 選擇不合適,可能出現(xiàn)如圖所示的情況(橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱左邊為 Vfilt 電壓,可以看到信號(hào)幅值變化大且反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)),這是因?yàn)檫\(yùn)放的帶寬不足或者 RC 電路中電容太小,導(dǎo)致 Qfrm_opa 與 Qfrm_cflit 不能在采樣時(shí)間(tacq)內(nèi)將電荷轉(zhuǎn)移至 Csh 中,如果在信號(hào)沒(méi)有達(dá)到足夠的采樣時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采樣,就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真。
圖 3. 不合適的 RC 濾波導(dǎo)致信號(hào)幅度變化大且反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)
顯然,我們無(wú)法同一個(gè) RC 網(wǎng)絡(luò)使用在不同的 SAR ADC 的應(yīng)用中,那么我們要怎么去為 SAR ADC 設(shè)計(jì)一個(gè)合適的 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)呢?
如下圖所示為 SAR ADC 的簡(jiǎn)化原理圖,以最壞的情況,CSH 對(duì)地放電為例。當(dāng)開(kāi)關(guān) S1 關(guān)閉時(shí),開(kāi)關(guān) S2 打開(kāi)時(shí),電容 CIN 與 CSH 共享電荷可得出等式
如圖所示:
圖 5. SAR ADC 驅(qū)動(dòng) VIN 電壓
在 ADC 的采集階段,ADC 建立至 1/2LSB 所需要的 RC 時(shí)間常數(shù)
其中 tacq 為采集時(shí)間 Ntc 為建立所需的時(shí)間常數(shù)數(shù)目。所需的時(shí)間常數(shù)數(shù)目可以通過(guò)計(jì)算階躍大小 VSTEP 與建立誤差(本例為 1/2LSB)之比的自然對(duì)數(shù)來(lái)獲得:
由此,我們可以求出 RC 的時(shí)間常數(shù)根據(jù)可以得出 RC 的值以及帶寬。
以 TI 16 位 ADC:ADS8860 為例,從數(shù)據(jù)手冊(cè)第 8 頁(yè)可以得到以下信息:
圖 6. ADS8860 數(shù)據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)
它的 MAX Conversion time 為 710ns ,Min Acquisition time 為 290ns ,吞吐率為 1Msps,假設(shè),參考電壓為 5V,信號(hào)為 100kHz 的正弦波
那么在轉(zhuǎn)換時(shí)間,信號(hào)最大變化量為:
因此選擇 R=8.6ohm,帶寬為 3.13MHz
將取值帶入仿真后可得圖,相對(duì)于沒(méi)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(shí)間也更短。
圖 7. 不合適的 RC 與加入計(jì)算后 RC 的 VIN 電壓波形對(duì)比
由我們的公式我們可以知道,當(dāng)吞吐率越高時(shí),我們對(duì)采樣保持的時(shí)間就相對(duì)越短,從而需要更大的 RC 帶寬。所以當(dāng)隨著精度和采樣率的不斷提高,設(shè)計(jì) RC 的難度會(huì)加大,我們需要權(quán)衡設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)。
如何選擇適合的驅(qū)動(dòng)放大器
首先必須說(shuō)明的是驅(qū)動(dòng)放大電路并不是總是需要的,他的作用通常有以下幾個(gè):
用于信號(hào)類型的轉(zhuǎn)換,例如單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)
以對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,例如將信號(hào)放大 / 縮小等
如果輸入阻抗小,可以放置運(yùn)放來(lái)增大輸入的阻抗,和減少輸出阻抗
限制帶寬,防止高頻信號(hào)輸入進(jìn)行干擾
當(dāng)信號(hào)帶寬低,信號(hào)變化十分緩慢,如氣體,溫度等,可以直接使用 RC 進(jìn)行驅(qū)動(dòng),降低成本,結(jié)構(gòu)如圖所示。
圖 8. 無(wú)運(yùn)放驅(qū)動(dòng) SAR ADC 電路簡(jiǎn)圖
那么在我們選擇運(yùn)放的時(shí)候需要注意以下參數(shù):運(yùn)放的帶寬,運(yùn)放的噪聲特性,運(yùn)放的失真特性等。
運(yùn)放的帶寬:帶寬大的運(yùn)放可以讓 RC 電路更快的進(jìn)行充電,一般來(lái)說(shuō),選擇運(yùn)放的帶寬為 RC 濾波器的 4 倍以上,如果需要運(yùn)放提供電壓增益則需要選擇更大帶寬的運(yùn)放。但是同時(shí)帶寬大的運(yùn)放往往靜態(tài)電流和失調(diào) / 偏置電流會(huì)比較大,所以要進(jìn)行取舍。
運(yùn)放的噪聲特性:對(duì)于運(yùn)放的噪聲特性來(lái)說(shuō),為了不讓運(yùn)放的噪聲對(duì) ADC 的精度產(chǎn)生影響,一般會(huì)使運(yùn)放的總噪聲在 ADC 噪聲的 1/5 左右。如果,ADC 的 SNR 為 86dB,Vref=5V,那么該系統(tǒng)中的總噪聲應(yīng)該小于:
根據(jù)計(jì)算得出的總噪聲,取 ADC 噪聲的 1/5,進(jìn)行計(jì)算可以計(jì)算出應(yīng)該選擇的運(yùn)放的 1/f 噪聲和寬帶噪聲的最大影響值,假設(shè)選用的運(yùn)放有極小的 1/f 噪聲可以忽略不計(jì)的話,可以經(jīng)過(guò)以下公式計(jì)算,得出結(jié)果:
像 Ti 的產(chǎn)品 OPA320,由數(shù)據(jù)手冊(cè)第 8 頁(yè)中可得,寬帶噪聲密度為可以滿足要求
圖 9. OPA320 數(shù)據(jù)手冊(cè)噪聲數(shù)據(jù)
運(yùn)放的失真特性:對(duì)于 ADC 的驅(qū)動(dòng)運(yùn)放來(lái)說(shuō),我們通常需要選擇輸入輸出軌對(duì)軌的運(yùn)放,防止不必要的輸出失真,但是通常正負(fù)軌對(duì)軌的運(yùn)放價(jià)格相對(duì)的高,所以通常使用的是單電源輸入,單極軌對(duì)軌的運(yùn)放。
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