模擬基礎(chǔ)知識：SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器

編者按：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、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。第 3 部分將探討流水線 ADC。第 4 部分 將說明三角積分 ADC 如何能夠產(chǎn)生超低噪音結(jié)果。第 5 部分 探討 SAR ADC 的輸入驅(qū)動難題。

現(xiàn)在仍然是一個模擬世界，因此要讓感知的信息進入數(shù)字領(lǐng)域，需要進行某種轉(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 拓撲結(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 拓撲結(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。隨著時間的推移，這種轉(zhuǎn)換器拓撲結(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捕獲模擬輸入信號的快照，并使用多個信號快照來繪制一段時間內(nèi)的圖像。

本文將簡要介紹與 SAR ADC 密切相關(guān)的信號鏈。接下來，通過分析負責 ADC 快照操作的基本輸入級，深入研究該 ADC 拓撲結(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 的模擬信號鏈

SAR ADC 常用于自動測試設(shè)備、機器自動化、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，都存在一個需要適度 8 至 20 位分辨率數(shù)字表示的模擬信號，并且采樣速率從接近 DC 到每秒 15 兆 （MSPS）（在撰寫本文時）。

SAR ADC 能力強大，無需模擬前端 （AFE） 信號鏈即可工作。但是，如果設(shè)計人員的工作還包括在 SAR ADC 的前端成功呈現(xiàn)信號，則很有可能需要一定程度的信號調(diào)節(jié)（圖 1）。

圖 1：該示例 SAR ADC 信號鏈包括 X 射線探測器、AFE、放大器驅(qū)動器、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）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在圖中，X 射線源經(jīng)行李箱將信號發(fā)送到 x 射線探測器。X 射線設(shè)備的工作是在短時間內(nèi)構(gòu)建行李箱的完整圖像，以減少旅客的不滿。

前端獲取探測器信號并執(zhí)行信號調(diào)節(jié)功能，例如模擬增益和電平位移。然后信號被提供給 SAR ADC，在本例中為 Analog Devices 的 AD7625BCPZ。

SAR ADC 之前的放大器提供適當?shù)姆€(wěn)定功能，在放大器與 SAR ADC 之間通常有一個一階低通濾波器。該 SAR ADC 能夠以高達 6 MSPS 的速度采樣（每 167 納秒 ［ns］ 采樣一次），可以在短時間內(nèi)獲得多個快照。

SAR ADC 輸入級的核心已簡化

隨著時間的推移，SAR ADC 經(jīng)歷了許多增強和改進，但在所有情況下，轉(zhuǎn)換期間的主要活動都是電荷再分配，這是逐次逼近 ADC 最常見的實現(xiàn)形式之一。此外，與 S-D 和流水線轉(zhuǎn)換器不同，SAR ADC 還具有零延遲優(yōu)勢。

在最簡單的層面上，很容易看到信號快照發(fā)生的位置。SAR ADC 輸入核心包含輸入信號采集開關(guān) （S1）、電容陣列、轉(zhuǎn)換開關(guān) （SC） 和內(nèi)部基準電壓 （? VREF）（圖 2）。

圖 2：驅(qū)動 SAR ADC 的運算放大器 （op amp），帶有輸出穩(wěn)定濾波器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

SAR ADC 核心的工作方式如下：

1、S1 打開，SC 關(guān)閉：斷開輸入級與模擬信號源的連接。

2、C 上的電荷通過 ? VREF 重新校準。這種重新校準使 SAR ADC 清零。

3、然后，S1 關(guān)閉，SC 打開：現(xiàn)在，該設(shè)備已連接到輸入模擬信號。

4、SAR ADC 在預(yù)定的采集時間內(nèi)采集輸入信號 VS。此采集時間可產(chǎn)生 S1 和 SC 開關(guān)噪聲，以及放大器突然暴露于電容加載和開關(guān)噪聲。

5、然后，S1 打開：這是發(fā)生信號快照的確切實例。

6、SAR ADC 將 VC 處的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。執(zhí)行此操作花費的時間就是“轉(zhuǎn)換時間”。

SAR ADC 輸入級的核心詳細信息

轉(zhuǎn)換核心可對在 VC 處所采集信號進行電荷再分配。轉(zhuǎn)換器電荷再分配的協(xié)調(diào)發(fā)生在核心中，由時鐘進行門控。通過此過程，每個時鐘控制的數(shù)字輸出代碼會到達 SAR ADC 的 DOUT 輸出（圖 3）。

圖 3：4 位 SAR ADC 光幕具有完整的數(shù)字加權(quán)電容陣列：16C、8C、4C、2C 和兩個 C。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在轉(zhuǎn)換過程中，SAR ADC 算法首先會確定最高有效位 （MSB）。SAR ADC 通過在 V- 和 VREF 比較器輸入之間切換 16C 電容器的底部，開始測試與 ? VREF 相比的信號幅度。在 SAR ADC 轉(zhuǎn)換線中，下一個比較是針對 ? VREF 測試 8C（未顯示），然后是 4C 測試，等等。

SAR ADC 輸出轉(zhuǎn)換詳細信息

MSB 決策會立即通過 DOUT 引腳發(fā)送，而在進行 MSB 1 決策時，MSB 開關(guān)會保持凍結(jié)狀態(tài)。SAR ADC 會一直執(zhí)行此算法，直到最終選擇最低有效位 （LSB）（圖 4）。

圖 4：4 位 SAR ADC 通過位決策對轉(zhuǎn)換算法進行時鐘控制，并通過 DOUT 引腳發(fā)送這些決策（如圖 3 所示）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在圖 4 中，SAR ADC 時鐘控制的位決策順序是從 MSB 一直到 LSB。所有轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在時鐘控制下繼續(xù)通過圖 3 右上角的 DOUT 立即輸出。完整的吞吐時間通常需要足夠的時間來采集信號，并且每個位需要一個時鐘周期。

SAR ADC 轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

設(shè)計人員必須了解信號的建立時間量，以確保從轉(zhuǎn)換中捕獲正確的模擬值（圖 5）。

圖 5：12 位 SAR DAC 的轉(zhuǎn)換時序示意圖。每次完整的轉(zhuǎn)換需要 16 個時鐘。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在圖 5 中，輸入信號 VC 在轉(zhuǎn)換器輸入開關(guān)打開之前未達到最終所需電壓。出現(xiàn)這種情況是因為電路設(shè)計人員錯誤地計算了放大器輸入信號的建立時間。

AD4020BCPZ-RL7 20 位 1.8 MSPS SAR ADC 通過延長采集相位的同時仍保持吞吐率，降低了信號采集的復雜性。它具有 100.5 dB 的低信噪比 （SNR）。

SAR AD 傳遞函數(shù)

ADC 的可能代碼數(shù)等于 2N，其中 N 是位數(shù)。例如，4 位轉(zhuǎn)換器具有 24 或 16 個單獨的可用代碼（圖 6）。

圖 6：理想 4 位 SAR AD 的傳遞函數(shù)或數(shù)字輸出代碼與模擬輸入電壓的關(guān)系圖，應(yīng)為一條直線。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

繪制圖像

SAR ADC 的吞吐率包括采集時間和轉(zhuǎn)換時間，以讓 Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL7 在 20 位分辨率下的吞吐率高達 1.8 MSPS。利用 AD4020BCPZ-RL7 吞吐速度，可以獲取多個快照并創(chuàng)建用于機器自動化和醫(yī)療設(shè)備的數(shù)字圖片渲染解決方案。

總結(jié)

從過程控制到醫(yī)療和消費類應(yīng)用，SAR ADC 憑借獲取信號快照的能力及不斷提高的分辨率和速度，持續(xù)證明其價值。目前的 SAR ADC 具有 8 到 20 位的分辨率，吞吐率高達 15 MSPS。Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL 就是一個例子，其具有低噪聲、高速、20 位、1.8 MSPS 的精度。但是，SAR ADC 轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的發(fā)展還未結(jié)束。未來還會有更多產(chǎn)品。