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如何设计逐次逼近型模数转换器的驱动电路？

由 cathy 提交于

<strong><font color="#004a85">作者：Jenson Fang</font> </strong>

逐次逼近型（SAR）ADC是在在工业，汽车，通讯行业中应用最广泛的ADC之一，例如电机电流采样，电池电压电流监控，温度监控等等。

通常工程师在设计SAR ADC时，通常需要注意以下三个方面：ADC前端驱动设计，参考电压设计，数字信号输出部分设计。本文将介绍ADC的前端驱动所需要的注意的一些要素。

如图所示是一个常见的SAR ADC的驱动电路包括驱动放大器和RC滤波。接下来将从如何设计RC滤波器，以及如何选择合适的运算放大器展开。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121182-1.p…; alt=“图1. SAR ADC驱动电路基本架构"></center><center><i>图1. SAR ADC驱动电路基本架构</i></center>

<strong>如何设计RC滤波网络</strong>

首先我们来看一下RC网络的设置，对于RC网络，它的主要作用分为以下两个方面：

1：对ADC的C<sub>sh</sub>进行充电，由于ADC采样保持阶段需要输入给采样保持电容C<sub>sh</sub>充电。如图所示，开始采样时，C<sub>sh</sub>的电荷由输入部分（Q<sub>frm_opa</sub>）和RC滤波电容（Q<sub>frm_cflit</sub>）提供，保证在一定时间内达到精度的要求。显然，随着采样精度和采样率的不断提高，驱动ADC的难度加大，因为必须在有限的时间内采样时间（t<sub>acq</sub>）内将C<sub>sh</sub>上的电压达到满足精度要求（1/2LSB内）。所以我们在ADC前加入电容，当采样保持阶段时对C<sub>sh</sub>进行充电，保证采样的精度。电阻则作为隔离作用，避免运放直接驱动容性负载，提升系统的稳定性。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121183-2.j…; alt=“图2. SAR ADC采样保持阶段电流方向"></center><center><i>图2. SAR ADC采样保持阶段电流方向</i></center>

2：RC网络同时也限制了输入信号的带宽，并且降低了运放带来的噪声量，但是于此同时，带宽的限制会使信号的延长建立时间，引起信号的失真

我们设计RC网络的目标就是在有限的时间内采样时间（t<sub>acq</sub>）内将C<sub>sh</sub>上的电压达到满足精度要求（1/2LSB内），如果不加入RC或者RC选择不合适，可能出现如图所示的情况(横坐标为时间，纵左边为V<sub>filt</sub>电压，可以看到信号幅值变化大且反向恢复时间长)，这是因为运放的带宽不足或者RC电路中电容太小，导致Q<sub>frm_opa</sub>与Q<sub>frm_cflit</sub>不能在采样时间（t<sub>acq</sub>）内将电荷转移至C<sub>sh</sub>中，如果在信号没有达到足够的采样时间内进行采样，就会产生信号失真。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121184-3.p…; alt=“图3. 不合适的RC滤波导致信号幅度变化大且反向恢复时间长"></center><center><i>图3. 不合适的RC滤波导致信号幅度变化大且反向恢复时间长</i></center>

显然，我们无法同一个RC网络使用在不同的SAR ADC的应用中，那么我们要怎么去为SAR ADC设计一个合适的RC滤波网络呢？

如下图所示为SAR ADC的简化原理图，以最坏的情况，C<sub>SH</sub>对地放电为例。当开关S1关闭时,开关S2打开时，电容C<sub>IN</sub>与C<sub>SH</sub>共享电荷可得出等式<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121185-4.j…; alt=“”> ，由于电容C<sub>SH</sub>对地放电，则Q<sub>SH</sub>=0，且Q<sub>IN</sub>=V<sub>IN</sub>*C<sub>IN</sub>则可以得出 <img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121186-5.j…; alt=“”>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121187-6.p…; alt=“图4. SAR ADC驱动电路基本架构"></center><center><i>图4. SAR ADC驱动电路基本架构</i></center>

则可以推算出<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121188-7.j…; alt=“”>，如图所示：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121189-8.p…; alt=“图5. SAR ADC驱动VIN电压"></center><center><i>图5. SAR ADC驱动V<sub>IN</sub>电压</i></center>

在ADC的采集阶段，ADC建立至1/2LSB所需要的RC时间常数<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121190-9.j…; alt=“”> , 其中t<sub>acq</sub>为采集时间Ntc为建立所需的时间常数数目。所需的时间常数数目可以通过计算阶跃大小VSTEP与建立误差（本例为1/2LSB）之比的自然对数来获得：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121191-10…; alt=“” ></center>

由此，我们可以求出RC的时间常数<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121192-11…; alt=“”>，根据<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121193-12…; alt=“”>，可以得出RC的值以及带宽。

以TI 16位ADC：ADS8860 为例，从数据手册第8页可以得到以下信息：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121194-13…; alt=图6. ADS8860数据手册数据"></center><center><i>图6. ADS8860数据手册数据</i></center>

它的MAX Conversion time为 710ns ，Min Acquisition time 为290ns ,吞吐率为1Msps,假设,参考电压为5V,信号为100kHz的正弦波

那么在转换时间，信号最大变化量为：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121195-14…; alt=“” ></center>

根据ADS8860的C<sub>SH</sub>=59pF，一般C<sub>IN</sub>选择C<sub>SH</sub>的20倍以上，这里取C<sub>IN</sub>=5.9nF则可以计算出Vkick电压：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121196-15…; alt=“” ></center>

接下来计算建立到1/2LSB的时间常数：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121197-16…; alt=“” ></center>

则可以得出：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121198-17…; alt=“” ></center>

因此选择R=8.6ohm，带宽为3.13MHz

将取值带入仿真后可得图，相对于没有RC滤波的ADC而言，加入合适的RC滤波可以使ADC-V<sub>in</sub>电压变化幅度变小，反向建立时间也更短。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121201-18…; alt=“图7. 不合适的RC与加入计算后RC的VIN电压波形对比"></center><center><i>图7. 不合适的RC与加入计算后RC的V<sub>IN</sub>电压波形对比</i></center>

由我们的公式我们可以知道，当吞吐率越高时，我们对采样保持的时间就相对越短，从而需要更大的RC带宽。所以当随着精度和采样率的不断提高，设计RC的难度会加大,我们需要权衡设计驱动的参数。

<strong>如何选择适合的驱动放大器</strong>

首先必须说明的是驱动放大电路并不是总是需要的，他的作用通常有以下几个：

1、用于信号类型的转换，例如单端信号转化为差分信号
2、以对信号进行调理，例如将信号放大/缩小等
3、如果输入阻抗小，可以放置运放来增大输入的阻抗，和减少输出阻抗
限制带宽，防止高频信号输入进行干扰
4、当信号带宽低，信号变化十分缓慢，如气体，温度等，可以直接使用RC进行驱动，降低成本,结构如图所示。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121202-19…; alt=“图8. 无运放驱动SAR ADC电路简图"></center><center><i>图8. 无运放驱动SAR ADC电路简图</i></center>

那么在我们选择运放的时候需要注意以下参数：运放的带宽，运放的噪声特性，运放的失真特性等。

运放的带宽：带宽大的运放可以让RC电路更快的进行充电，一般来说，选择运放的带宽为RC滤波器的4倍以上，如果需要运放提供电压增益则需要选择更大带宽的运放。但是同时带宽大的运放往往静态电流和失调/偏置电流会比较大，所以要进行取舍。

运放的噪声特性：对于运放的噪声特性来说，为了不让运放的噪声对ADC的精度产生影响，一般会使运放的总噪声在ADC噪声的1/5左右。如果，ADC的SNR为86dB，Vref=5V，那么该系统中的总噪声应该小于：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121203-20…; alt=“” ></center>

根据计算得出的总噪声，取ADC噪声的1/5，进行计算可以计算出应该选择的运放的1/f噪声和宽带噪声的最大影响值，假设选用的运放有极小的1/f噪声可以忽略不计的话，可以经过以下公式计算，得出结果：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121204-21…; alt=“” ></center>

像Ti的产品OPA320，由数据手册第8页中可得，宽带噪声密度为可以满足要求

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2021-01/wen_zhang_/100061457-121205-22…; alt=“图9. OPA320数据手册噪声数据"></center><center><i>图9. OPA320数据手册噪声数据</i></center>

运放的失真特性：对于ADC的驱动运放来说，我们通常需要选择输入输出轨对轨的运放，防止不必要的输出失真，但是通常正负轨对轨的运放价格相对的高，所以通常使用的是单电源输入，单极轨对轨的运放。

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