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如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路

發(fā)布時(shí)間:2021-01-07 來(lái)源:Jenson Fang 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(jì)SAR ADC時(shí),通常需要注意以下三個(gè)方面:ADC前端驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),參考電壓設(shè)計(jì),數(shù)字信號(hào)輸出部分設(shè)計(jì)。本文將介紹ADC的前端驅(qū)動(dòng)所需要的注意的一些要素。
 
如圖所示是一個(gè)常見(jiàn)的SAR ADC的驅(qū)動(dòng)電路包括驅(qū)動(dòng)放大器和RC濾波。接下來(lái)將從如何設(shè)計(jì)RC濾波器,以及如何選擇合適的運(yùn)算放大器展開(kāi)。
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖1.  SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路基本架構(gòu)
 
如何設(shè)計(jì)RC濾波網(wǎng)絡(luò)
 
首先我們來(lái)看一下RC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置,對(duì)于RC網(wǎng)絡(luò),它的主要作用分為以下兩個(gè)方面:
 
1:對(duì)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(kāi)始采樣時(shí),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(shí)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(dòng)ADC的難度加大,因?yàn)楸仨氃谟邢薜臅r(shí)間內(nèi)采樣時(shí)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?cè)贏DC前加入電容,當(dāng)采樣保持階段時(shí)對(duì)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(yùn)放直接驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖2.  SAR ADC采樣保持階段電流方向
 
2:RC網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也限制了輸入信號(hào)的帶寬,并且降低了運(yùn)放帶來(lái)的噪聲量,但是于此同時(shí),帶寬的限制會(huì)使信號(hào)的延長(zhǎng)建立時(shí)間,引起信號(hào)的失真
 
我們?cè)O(shè)計(jì)RC網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)就是在有限的時(shí)間內(nèi)采樣時(shí)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(shí)間,縱左邊為Vfilt電壓,可以看到信號(hào)幅值變化大且反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)),這是因?yàn)檫\(yùn)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(shí)間(tacq)內(nèi)將電荷轉(zhuǎn)移至Csh中,如果在信號(hào)沒(méi)有達(dá)到足夠的采樣時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采樣,就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)失真。
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖3.  不合適的RC濾波導(dǎo)致信號(hào)幅度變化大且反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)
 
顯然,我們無(wú)法同一個(gè)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(jì)一個(gè)合適的RC濾波網(wǎng)絡(luò)呢?
 
如下圖所示為SAR ADC的簡(jiǎn)化原理圖,以最壞的情況,CSH對(duì)地放電為例。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1關(guān)閉時(shí),開(kāi)關(guān)S2打開(kāi)時(shí),電容CIN與CSH共享電荷可得出等式如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路 ,由于電容CSH對(duì)地放電,則QSH=0,且QIN=VIN*CIN,則可以得出如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖4.  SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路基本架構(gòu)
 
則可以推算出如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路 ,如圖所示:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖5.  SAR ADC驅(qū)動(dòng)VIN電壓
 
在ADC的采集階段,ADC建立至1/2LSB所需要的RC時(shí)間常數(shù)如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路 , 其中tacq為采集時(shí)間Ntc為建立所需的時(shí)間常數(shù)數(shù)目。所需的時(shí)間常數(shù)數(shù)目可以通過(guò)計(jì)算階躍大小VSTEP與建立誤差(本例為1/2LSB)之比的自然對(duì)數(shù)來(lái)獲得:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
由此,我們可以求出RC的時(shí)間常數(shù)如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路 ,根據(jù)如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路 ,可以得出RC的值以及帶寬。
 
以TI 16位ADC:ADS8860 為例,從數(shù)據(jù)手冊(cè)第8頁(yè)可以得到以下信息:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖6.  ADS8860數(shù)據(jù)手冊(cè)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(hào)為100kHz的正弦波
 
那么在轉(zhuǎn)換時(shí)間,信號(hào)最大變化量為:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
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(jì)算出Vkick電壓:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
接下來(lái)計(jì)算建立到1/2LSB的時(shí)間常數(shù):
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
則可以得出:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
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(duì)于沒(méi)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(shí)間也更短。
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖7.  不合適的RC與加入計(jì)算后RC的VIN電壓波形對(duì)比
 
由我們的公式我們可以知道,當(dāng)吞吐率越高時(shí),我們對(duì)采樣保持的時(shí)間就相對(duì)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(jì)RC的難度會(huì)加大,我們需要權(quán)衡設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)。
 
如何選擇適合的驅(qū)動(dòng)放大器
 
首先必須說(shuō)明的是驅(qū)動(dòng)放大電路并不是總是需要的,他的作用通常有以下幾個(gè):
 
1. 用于信號(hào)類型的轉(zhuǎn)換,例如單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)
2. 以對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,例如將信號(hào)放大/縮小等
3. 如果輸入阻抗小,可以放置運(yùn)放來(lái)增大輸入的阻抗,和減少輸出阻抗
4. 限制帶寬,防止高頻信號(hào)輸入進(jìn)行干擾
 
當(dāng)信號(hào)帶寬低,信號(hào)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(dòng),降低成本,結(jié)構(gòu)如圖所示。
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖8.  無(wú)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路簡(jiǎn)圖
 
那么在我們選擇運(yùn)放的時(shí)候需要注意以下參數(shù):運(yùn)放的帶寬,運(yùn)放的噪聲特性,運(yùn)放的失真特性等。
 
運(yùn)放的帶寬:帶寬大的運(yùn)放可以讓RC電路更快的進(jìn)行充電,一般來(lái)說(shuō),選擇運(yùn)放的帶寬為RC濾波器的4倍以上,如果需要運(yùn)放提供電壓增益則需要選擇更大帶寬的運(yùn)放。但是同時(shí)帶寬大的運(yùn)放往往靜態(tài)電流和失調(diào)/偏置電流會(huì)比較大,所以要進(jìn)行取舍。
 
運(yùn)放的噪聲特性:對(duì)于運(yùn)放的噪聲特性來(lái)說(shuō),為了不讓運(yùn)放的噪聲對(duì)ADC的精度產(chǎn)生影響,一般會(huì)使運(yùn)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:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
根據(jù)計(jì)算得出的總噪聲,取ADC噪聲的1/5,進(jìn)行計(jì)算可以計(jì)算出應(yīng)該選擇的運(yùn)放的1/f噪聲和寬帶噪聲的最大影響值,假設(shè)選用的運(yùn)放有極小的1/f噪聲可以忽略不計(jì)的話,可以經(jīng)過(guò)以下公式計(jì)算,得出結(jié)果:
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
 
像Ti的產(chǎn)品OPA320,由數(shù)據(jù)手冊(cè)第8頁(yè)中可得,寬帶噪聲密度為可以滿足要求
 
如何設(shè)計(jì)逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電路
圖9.  OPA320數(shù)據(jù)手冊(cè)噪聲數(shù)據(jù)
 
運(yùn)放的失真特性:對(duì)于ADC的驅(qū)動(dòng)運(yùn)放來(lái)說(shuō),我們通常需要選擇輸入輸出軌對(duì)軌的運(yùn)放,防止不必要的輸出失真,但是通常正負(fù)軌對(duì)軌的運(yùn)放價(jià)格相對(duì)的高,所以通常使用的是單電源輸入,單極軌對(duì)軌的運(yùn)放。
 
 
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