SAR ADC的原理和驱动电路设计要点

一路上

一、前言

SAR ADC是一个非常常见的拓扑结构，这是一种在速度、分辨率和功率之间提供了很好平衡的折衷方案。SAR ADC的一个关键优势是几乎没有延迟。因此在很多应用领域都能看到使用SAR ADC。

二、SAR ADC原理

SAR ADC（Successive Approximation Register），即逐次逼近型ADC。

如下图，SAR ADC主要分成四个部分:采样保持电路、模拟比较器、SAR逐次逼近寄存器和DAC数字模拟转换器。

图1：SAR ADC的典型拓扑结构

SAR ADC的工作过程主要有两个阶段：采样阶段和转化阶段。

采样阶段：

在采样阶段，开关S2断开，开关S1闭合，这时对ADC采样电容C充电。

图2：SAR ADC的采样阶段

转化阶段：

在转化阶段，开关S1断开，S2闭合。

图3：转化阶段

下图是一个6-bit ADC转换过程：

采样电容上的电压与内部DAC通过比较器上的电压，从高位到低位，逐级比较。

逐次逼近寄存器在每个时钟周期向内部DAC提供额外的代码。

如果采样电容上的模拟电压高于内部DAC电压，记为1

如果采样电容上的模拟电压高于内部DAC电压，记为0

图4：6-bit ADC的转换过程

所以，转换时间是转换取决于时钟频率和ADC分辨率。上图示例中，转化需要6个时钟周期得到结果。结束转化之后，大多数ADC会返回采样阶段。

三、SAR ADC驱动电路设计

为什么需要驱动电路？

一般情况下，SAR ADC输入结构为开关电容采样电路。而电容的充放电需要足够的电流来支持。同时由于电容的存在，加上开关本身的一些片内寄生电容，会将一些电荷反向注入电源，称为电荷注入反冲，从而引起振荡。

图5：开关电容采样电路, 电荷注入反冲

如上图：开关闭合的时候，采样；开关打开的时候，转化。每当开关闭合的时候，电容本身存在的电荷反向注入传感器，从而引起振荡。我们需要额外的稳定时间来排除这部分干扰。

为了给SAR ADC供电以及减少电荷反冲的影响。一般我们会在传感器和SAR ADC之间，添加ADC驱动电路（放大器）和开关采样电容充电RC电路。

图6：SAR ADC驱动电路设计

四、开关采样电容充电RC电路

RC起到的作用是减少电荷反冲的影响以及限制宽带噪声。这项要求又对放大器选择和性能构成了进一步的限制。

为了选择合适的RC阻值和容值，我们至少要确保以下两点：

第一，确保所选ADC驱动器和RC电路能切实驱动ADC。也就是说RC电路的电阻阻值不能过于大。是否能够足够驱动ADC，由ADC需要的输入电流大小决定，也就是ADC输入电阻大小决定。

第二，确保采样电容上的电压尽量接近输入电压。在转化阶段之前，确保采样电容上的电压尽量接近输入电压，且稳定到所需的分辨率。

如下图，在SAR ADC采样阶段，S1关闭，输入电压Vin通过电阻R对采样电容C充电。采样电容上的电压和输入电压之间的电压差应小于LSB（最低有效位）的一半。

图7：采样电容上的电压

下面我们来看看时间常数τ的计算。

采样电容上的电压Vc与时间的函数关系：

如果只考虑ADC采样电路结构，时间常数t取决于内部采样电容器C和开关电阻R。时间常数t等于R乘以C。

其中FSR为满量程范围，N为ADC的位数。

对于不同的分辨率，下表显示了至少需要多少个时间常数才能保证误差在1个LSB之内。

比如一个8位ADC，至少要6倍于时间常数的时间，才能保证误差在1个LSB之内。

推导计算过程，这里就不展开了，感兴趣可以看下面这篇ADI的文章：精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计

存在外部RC电路的情况下，需要一同考虑外部RC电路和内部ADC采样电路结构中的RC以及存在的其他的寄生阻抗参数，来计算时间常数τ。

五、ADC驱动电路（放大器）

驱动电路（放大器）的选择，我们需要注意以下两点：

放大器应支持充电电流并能够吸收电荷注入反冲。

该放大器的输出需要在采样边缘的末端完全稳定,使得对ADC输入采样时不会增加误差。

这意味着放大器应能提供瞬时电流阶跃，对应放大器应该具有高压摆率。对这些瞬态事件提供快速建立响应，对应放大器应该具有高带宽。

放大器选型时，可以通过压摆率和带宽等参数进行筛选。

图8：放大器参数选项

六、SAR ADC的选择

选择合适的SAR ADC，能大大减少对驱动电路的要求，简化驱动电路设计难度。

从SAR ADC驱动电路设计的角度考虑，我们需要注意以下两点：

长采样阶段

较长的采样阶段可以降低对驱动放大器的建立要求，并且允许较低的RC电路截止频率，这意味着可以使用噪声较高且/或功率/带宽较低的放大器。可以在RC电路中使用较大的R值和较小的对应C值，减少放大器稳定性问题，同时也不会大幅影响失真性能。较大的R值有助于在过压条件下保护ADC输入；同时还能降低放大器中的动态功耗。

高输入阻抗SAR ADC：

高输入阻抗的优势在于：在慢速 (<10 kHz) 或直流类信号条件下支持低输入电流，并且可在高达100kHz的输入频率范围内实现更好的失真 (THD) 性能。 我们以ADI AD4000举例，AD4000支持高阻抗输入模式，降低的输入电流需求，能以比传统SAR高得多的源阻抗来驱动。这意味着，RC电路中的电阻值可以比传统SAR设计大10倍。

图9：AD4000高阻抗模式和普通模式对输入电流的影响

在慢速应用中(信号带宽<10 kHz)，高阻抗输入带来较低的输入电流，我们可以用较低截止频率的RC电路，低功率和带宽的精密放大器来驱动ADC，消除了使用专用高速ADC驱动器的必要性，从而降低功耗、尺寸和成本。

七、精密ADC驱动器设计工具

如果你觉得上面SAR ADC驱动设计很麻烦，也可以使用ADI精密ADC驱动器设计工具。你这样一来，你就可以根据不同的参数来模拟仿真，从而缩短精密ADC驱动器设计的时间。

图10：ADI 精密ADC驱动器设计工具

八、本文小结

SAR ADC是一个非常常见的拓扑结构。驱动电路设计往往是SAR ADC设计的一个难点。理解SAR ADC原理，对于SAR ADC的RC电路、驱动电路（放大器），我们往往需要放在一起综合考虑。了解每部分的设计要点，使用适当的工具，往往能事半功倍。

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