通常工程師在設計SAR ADC時
，通常需要注意以下三個方麵：ADC前端驅動設計，參考電壓設計
，數字信號輸出部分設計。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麵：

 

1：對ADC的Csh進行充電，由於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
，保證在一定時間內達到精度的要求。顯然，隨著采樣精度和采樣率的不斷提高，驅動ADC的難度加大，因為必須在有限的時間內采樣時間（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，當采樣保持階段時對Csh進行充電，保證采樣的精度。電阻則作為隔離作用
，避免運放直接驅動容性負載，提升係統的穩定性。

 

圖2.  SAR ADC采樣保持階段電流方向

 

2：RC網(wang)絡(luo)同(tong)時(shi)也(ye)限(xian)製(zhi)了(le)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)帶(dai)寬(kuan)
，並(bing)且(qie)降(jiang)低(di)了(le)運(yun)放(fang)帶(dai)來(lai)的(de)噪(zao)聲(sheng)量(liang)，但(dan)是(shi)於(yu)此(ci)同(tong)時(shi)，帶(dai)寬(kuan)的(de)限(xian)製(zhi)會(hui)使(shi)信(xin)號(hao)的(de)延(yan)長(chang)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)，引(yin)起(qi)信(xin)號(hao)的(de)失(shi)真(zhen)

 

我們設計RC網絡的目標就是在有限的時間內采樣時間（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複時間長)，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不能在采樣時間（tacq）內將電荷轉移至Csh中，如果在信號沒有達到足夠的采樣時間內進行采樣
，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複時間長

 

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

 

圖4.  SAR ADC驅動電路基本架構

 

則可以推算出 ，如圖所示：

 

圖5.  SAR ADC驅動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 , 其中tacq為采集時間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：

 

 

根據ADS8860的CSH=59pF，一般CIN選擇CSH的20倍以上，這裏取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：

 

 

則可以得出：

 

 

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。所以當隨著精度和采樣率的不斷提高
，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：

 

1. 用於信號類型的轉換，例如單端信號轉化為差分信號

2. 以對信號進行調理，例如將信號放大/縮小等

3. 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

4. 限製帶寬，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
，所以要進行取舍。

 

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
，那麼該係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(de)驅(qu)動(dong)運(yun)放(fang)來(lai)說(shuo)，我(wo)們(men)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)選(xuan)擇(ze)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)軌(gui)對(dui)軌(gui)的(de)運(yun)放(fang)，防(fang)止(zhi)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)輸(shu)出(chu)失(shi)真(zhen)，但(dan)是(shi)通(tong)常(chang)正(zheng)負(fu)軌(gui)對(dui)軌(gui)的(de)運(yun)放(fang)價(jia)格(ge)相(xiang)對(dui)的(de)高(gao)，所(suo)以(yi)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)的(de)是(shi)單(dan)電(dian)源(yuan)輸(shu)入(ru)，單(dan)極(ji)軌(gui)對(dui)軌(gui)的(de)運(yun)放(fang)。

 

 

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