如何設(shè)計逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電路

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SAR ADC時，通常需要注意以下三個方面：ADC前端驅(qū)動設(shè)計，參考電壓設(shè)計，數(shù)字信號輸出部分設(shè)計。本文將介紹ADC的前端驅(qū)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(qū)動電路包括驅(qū)動放大器和RC濾波。接下來將從如何設(shè)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(qū)動電路基本架構(gòu)

如何設(shè)計RC濾波網(wǎng)絡(luò)

首先我們來看一下RC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，對于RC網(wǎng)絡(luò)，它的主要作用分為以下兩個方面：

1：對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，開始采樣時，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(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ADC的難度加大，因為必須在有限的時間內(nèi)采樣時間（tacq）內(nèi)將Csh上的電壓達(dá)到滿足精度要求（1/2LSB內(nèi)）。所以我們在ADC前加入電容，當(dāng)采樣保持階段時對Csh進(jìn)行充電，保證采樣的精度。電阻則作為隔離作用，避免運放直接驅(qū)動容性負(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)同時也限制了輸入信號的帶寬，并且降低了運放帶來的噪聲量，但是于此同時，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(shè)計RC網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)就是在有限的時間內(nèi)采樣時間（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)為時間，縱左邊為Vfilt電壓，可以看到信號幅值變化大且反向恢復(fù)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(dǎo)致Qfrm_opa與Qfrm_cflit不能在采樣時間（tacq）內(nèi)將電荷轉(zhuǎn)移至Csh中，如果在信號沒有達(dá)到足夠的采樣時間內(nèi)進(jìn)行采樣，就會產(chǎn)生信號失真。

圖3. 不合適的RC濾波導(dǎo)致信號幅度變化大且反向恢復(fù)時間長

顯然，我們無法同一個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)計一個合適的RC濾波網(wǎng)絡(luò)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(dāng)開關(guān)S1關(guān)閉時,開關(guān)S2打開時，電容CIN與CSH共享電荷可得出等式

，由于電容CSH對地放電，則QSH=0，且QIN=VIN*CIN，則可以得出

圖4. SAR ADC驅(qū)動電路基本架構(gòu)

則可以推算出

如圖所示：

圖5. SAR ADC驅(qū)動VIN電壓

在ADC的采集階段，ADC建立至1/2LSB所需要的RC時間常數(shù)

其中tacq為采集時間Ntc為建立所需的時間常數(shù)數(shù)目。所需的時間常數(shù)數(shù)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(shù)來獲得：

以TI 16位ADC：ADS8860 為例，從數(shù)據(jù)手冊第8頁可以得到以下信息：

圖6. ADS8860數(shù)據(jù)手冊數(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,信號為100kHz的正弦波

那么在轉(zhuǎn)換時間，信號最大變化量為：

根據(jù)ADS8860的CSH=59pF，一般CIN選擇CSH的20倍以上，這里取CIN=5.9nF則可以計算出Vkick電壓：

接下來計算建立到1/2LSB的時間常數(shù)：

則可以得出：

因此選擇R=8.6ohm，帶寬為3.13MHz

將取值帶入仿真后可得圖，相對于沒有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與加入計算后RC的VIN電壓波形對比

由我們的公式我們可以知道，當(dāng)吞吐率越高時，我們對采樣保持的時間就相對越短，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RC的難度會加大,我們需要權(quán)衡設(shè)計驅(qū)動的參數(shù)。

如何選擇適合的驅(qū)動放大器

首先必須說明的是驅(qū)動放大電路并不是總是需要的，他的作用通常有以下幾個：

用于信號類型的轉(zhuǎn)換，例如單端信號轉(zhuǎn)化為差分信號

以對信號進(jìn)行調(diào)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(jìn)行干擾

當(dāng)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(jìn)行驅(qū)動，降低成本,結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖8. 無運放驅(qū)動SAR ADC電路簡圖

那么在我們選擇運放的時候需要注意以下參數(shù)：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(jìn)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(tài)電流和失調(diào)/偏置電流會比較大，所以要進(jìn)行取舍。

運放的噪聲特性：對于運放的噪聲特性來說，為了不讓運放的噪聲對ADC的精度產(chǎn)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，那么該系統(tǒng)中的總噪聲應(yīng)該小于：

根據(jù)計算得出的總噪聲，取ADC噪聲的1/5，進(jìn)行計算可以計算出應(yīng)該選擇的運放的1/f噪聲和寬帶噪聲的最大影響值，假設(shè)選用的運放有極小的1/f噪聲可以忽略不計的話，可以經(jīng)過以下公式計算，得出結(jié)果：

像Ti的產(chǎn)品OPA320，由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)手冊噪聲數(shù)據(jù)

運放的失真特性：對于ADC的驅(qū)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(fù)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。

審核編輯：郭婷