浅谈SAR ADC 驱动电路设计

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 1 开关电容采样电路, 电荷注入反冲(图片来源于ADI)

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 2 SAR ADC 驱动电路设计(图片来源于ADI)

1. 开关采样电容充电 RC 电路

:small_orange_diamond:RC 电路选择

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:

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。

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 3 采样电容上的电压

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:
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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
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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
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举例一个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。可以看下面这篇文章:

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。这里就不展开讨论。

Digi-Key电阻
Digi-Key电容

2. ADC驱动电路(放大器)

:small_orange_diamond: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。

并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。

Digi-Key放大器

Digi-Key 放大器参数选项,可以通过压摆率和带宽参数,筛选放大器。
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图 4 Digi-Key 放大器参数选项

Digi-Key网站可以方便的根据参数选择合适的放大器。

3. SAR ADC 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。

Digi-Key SAR ADC

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100 kHz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 5 AD4000 高阻抗模式和普通模式对输入电流的影响 (图片来源于ADI)

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。