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在设计中使用逐次逼近寄存器 ADC
接线图
2024年01月28日 08:55 180
admin
SAR-ADC 的工作原理 SAR-ADC（图 1）捕获模拟电压信号，将该信号转换为数字字。模拟信号通过外部采样/保持设备或 SAR-ADC 的内部采样/保持功能来捕获。SAR-ADC 将此输入电压与转换器外部或内部参考电压 (VREF) 的已知部分进行比较。该参考电压设置转换器的满量程输入电压范围。现代 SAR-ADC 使用电容式数模转换器 (C-DAC) 来连续比较位组合，并将适当的位设置或清除到数据寄存器中。
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图 1. 这是现代 SAR-ADC 16 位转换器的内部采样机制模型。在 VS 获取信号后，片选从高电平转变为低电平并打开输入开关 (S1)。
在 SAR 转换器的输入端，输入信号首先经过开关。请注意，闭合开关会产生与电容阵列串联的开关电阻 (RIN)。这些电容器的顶部连接到比较器的反相输入。底侧可以连接到输入电压、参考电压 (VREF) 或接地 (V–)。最初，底侧连接到输入信号 VS。一旦电容阵列完全获取输入信号，输入开关（S1）打开，转换器开始转换过程。
在转换过程中，MSB 电容器的底部连接到 VREF，而其他电容器连接到 V–（或系统接地）。此操作会在所有电容器之间重新分配电荷。比较器的反相输入根据电荷平衡升高或降低电压。如果 SC 处的电压大于 VREF 的一半，转换器会将“0”分配给 MSB 并将该值从串行端口传输出去。如果该电压小于 VREF 的一半，转换器会从串行端口发送“1”，并且转换器将 MSB 电容器连接到 V–。在 MSB 分配之后，对 MSB-1 电容器重复此过程。请注意，图 1 未显示 MSB-1 电容器，但其值为 8C。
SAR-ADC 转换过程所需的时间包括采集时间和转换时间。整个转换过程结束时，SAR-ADC 进入睡眠模式。 驱动您的 SAR-ADC
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图 2. SAR-ADC 应用设计需要驱动电路（运算放大器、RISO 和 CISO），以确保 ADC 在转换器采集期间具有稳定的输入信号。
在设计 SAR-ADC 电路时，首先确定输入信号的带宽和满量程范围。然后，您选择的 SAR-ADC 应与每个奈奎斯特输入信号的带宽相匹配。该转换器还应该具有适合您的系统的分辨率。在此设计中，关键的 SAR-ADC 规格是电容阵列的累积值、CIN（相当于 SAR-ADC 的输入电容）、转换器满量程输入范围和采集时间 (tAQU)。
现在我们通过确定 RISO 和 CISO 的值??来定义它们。图 3 示波器捕获显示了 SAR-ADC (ADS8326) 的输入电荷注入瞬态。在此测量中，放大器缓冲器和 SAR-ADC (Ch1) 之间有一个 10 kOhm 电阻。启动转换或芯片选择信号出现在顶部曲线 (Ch4) 上。请注意，SAR 转换器的输入阻抗绝不能高达 10 kOhm？但这使我们能够看到 SAR-ADC 输入处的高频电流尖峰。
ADC 基础知识，第 3 部分：在设计中使用逐次逼近寄存器 ADC
图 3. 10 kOhm 电阻器捕获 16 位 SAR-ADC (Ch1) 输入端的电荷注入幅度。CS 引脚会启动每次发生的杂散，该杂散发生在 ADC 采集周期 (Ch4) 期间。
当转换器采集输入信号时，SAR-ADC 输入端会发生电荷注入。这些高频尖峰给驱动运算放大器带来了非常苛刻的负载。
如图1所示，SAR转换器很少有内置输入缓冲放大器。该电路需要一个具有无失真、轨到轨输入级的运算放大器（请参阅 OPA364 数据表，第 8 页）。该放大器的输出级范围为比正电源低 100 mV 至 100 mV。
RISO 和 CISO（图 2 ）的功能是为电荷注入提供一条接地路径，并将运放输出与这些瞬态隔离。RISO 和 CISO 有效地完成了将放大器与容性负载隔离以及吸收来自 SAR-ADC 的电荷尖峰的任务。然而，这两个组件也会修改放大器的开环增益响应，如波特图所示。
图 4 显示了该系统的运算放大器示例和波特图。查看左侧 y 轴如何绘制放大器的开环和闭环增益。右侧 y 轴绘制了放大器的开环相位响应。x 轴绘制频率。
图 4. RISO|CISO 负载下 OPA364 开环增益/相位与频率的关系。
该放大器 (OPA364) 的开环增益曲线在 10 Hz 时增益为 100 dB。随着频率增加，该增益曲线 (~100 Hz) 变为 –20 dB/十倍频程斜率。该斜率一直持续到曲线继续超过 0 dB。开环增益曲线与 0 dB 交点处的频率为 7 MHz。
当外部电路(RISO|CISO)加载放大器时，开环增益曲线被修改。在图 4 中，蓝色曲线代表修改后的开环曲线。RISO 和 CISO 以及放大器的输出电阻在 fPX 处生成极点，在 fZX 处生成零值。如图 4所示，RISO 和 CISO 的极点出现在 769 kHz 处，零点出现在 1.6 MHz 处。该修改后的开环增益曲线的斜率在 fPX 时从 –20 dB/十倍频程变为 –40 dB/十倍频程，并在 1.6 MHz 处的零 fPZ 时恢复到 –20 dB/十倍频程的斜率。
电路稳定性是在开环增益曲线和闭环增益曲线的交点（3.2 MHz）处定义的。在此交点处，如果这两条曲线的斜率之差为 20 dB/十倍频程，则放大器将稳定。如果这些斜率之间的差异大于 20 dB/十倍频程（例如 40 dB/十倍频程），则放大器电路将稍微稳定。
为了最大限度地减少内部采样电容器的非线性影响，以及最大限度地减少电荷注入对输入电压的影响，最小 CISO 值是内部 SAR-ADC 采样电容器大小的 20 倍。通过注意该 R|C 电路必须在转换器的采集时间内完全稳定来找到 RISO 值。
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图 1. 这是现代 SAR-ADC 16 位转换器的内部采样机制模型。在 VS 获取信号后，片选从高电平转变为低电平并打开输入开关 (S1)。
在 SAR 转换器的输入端，输入信号首先经过开关。请注意，闭合开关会产生与电容阵列串联的开关电阻 (RIN)。这些电容器的顶部连接到比较器的反相输入。底侧可以连接到输入电压、参考电压 (VREF) 或接地 (V–)。最初，底侧连接到输入信号 VS。一旦电容阵列完全获取输入信号，输入开关（S1）打开，转换器开始转换过程。
在转换过程中，MSB 电容器的底部连接到 VREF，而其他电容器连接到 V–（或系统接地）。此操作会在所有电容器之间重新分配电荷。比较器的反相输入根据电荷平衡升高或降低电压。如果 SC 处的电压大于 VREF 的一半，转换器会将“0”分配给 MSB 并将该值从串行端口传输出去。如果该电压小于 VREF 的一半，转换器会从串行端口发送“1”，并且转换器将 MSB 电容器连接到 V–。在 MSB 分配之后，对 MSB-1 电容器重复此过程。请注意，图 1 未显示 MSB-1 电容器，但其值为 8C。
SAR-ADC 转换过程所需的时间包括采集时间和转换时间。整个转换过程结束时，SAR-ADC 进入睡眠模式。 驱动您的 SAR-ADC
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图 2. SAR-ADC 应用设计需要驱动电路（运算放大器、RISO 和 CISO），以确保 ADC 在转换器采集期间具有稳定的输入信号。
在设计 SAR-ADC 电路时，首先确定输入信号的带宽和满量程范围。然后，您选择的 SAR-ADC 应与每个奈奎斯特输入信号的带宽相匹配。该转换器还应该具有适合您的系统的分辨率。在此设计中，关键的 SAR-ADC 规格是电容阵列的累积值、CIN（相当于 SAR-ADC 的输入电容）、转换器满量程输入范围和采集时间 (tAQU)。
现在我们通过确定 RISO 和 CISO 的值??来定义它们。图 3 示波器捕获显示了 SAR-ADC (ADS8326) 的输入电荷注入瞬态。在此测量中，放大器缓冲器和 SAR-ADC (Ch1) 之间有一个 10 kOhm 电阻。启动转换或芯片选择信号出现在顶部曲线 (Ch4) 上。请注意，SAR 转换器的输入阻抗绝不能高达 10 kOhm？但这使我们能够看到 SAR-ADC 输入处的高频电流尖峰。
ADC 基础知识，第 3 部分：在设计中使用逐次逼近寄存器 ADC
图 3. 10 kOhm 电阻器捕获 16 位 SAR-ADC (Ch1) 输入端的电荷注入幅度。CS 引脚会启动每次发生的杂散，该杂散发生在 ADC 采集周期 (Ch4) 期间。当转换器采集输入信号时，SAR-ADC 输入端会发生电荷注入。这些高频尖峰给驱动运算放大器带来了非常苛刻的负载。
如图1所示，SAR转换器很少有内置输入缓冲放大器。该电路需要一个具有无失真、轨到轨输入级的运算放大器（请参阅 OPA364 数据表，第 8 页）。该放大器的输出级范围为比正电源低 100 mV 至 100 mV。
RISO 和 CISO（图 2 ）的功能是为电荷注入提供一条接地路径，并将运放输出与这些瞬态隔离。RISO 和 CISO 有效地完成了将放大器与容性负载隔离以及吸收来自 SAR-ADC 的电荷尖峰的任务。然而，这两个组件也会修改放大器的开环增益响应，如波特图所示。
图 4 显示了该系统的运算放大器示例和波特图。查看左侧 y 轴如何绘制放大器的开环和闭环增益。右侧 y 轴绘制了放大器的开环相位响应。x 轴绘制频率。
图 4. RISO|CISO 负载下 OPA364 开环增益/相位与频率的关系。该放大器 (OPA364) 的开环增益曲线在 10 Hz 时增益为 100 dB。随着频率增加，该增益曲线 (~100 Hz) 变为 –20 dB/十倍频程斜率。该斜率一直持续到曲线继续超过 0 dB。开环增益曲线与 0 dB 交点处的频率为 7 MHz。
当外部电路(RISO|CISO)加载放大器时，开环增益曲线被修改。在图 4 中，蓝色曲线代表修改后的开环曲线。RISO 和 CISO 以及放大器的输出电阻在 fPX 处生成极点，在 fZX 处生成零值。如图 4所示，RISO 和 CISO 的极点出现在 769 kHz 处，零点出现在 1.6 MHz 处。该修改后的开环增益曲线的斜率在 fPX 时从 –20 dB/十倍频程变为 –40 dB/十倍频程，并在 1.6 MHz 处的零 fPZ 时恢复到 –20 dB/十倍频程的斜率。
电路稳定性是在开环增益曲线和闭环增益曲线的交点（3.2 MHz）处定义的。在此交点处，如果这两条曲线的斜率之差为 20 dB/十倍频程，则放大器将稳定。如果这些斜率之间的差异大于 20 dB/十倍频程（例如 40 dB/十倍频程），则放大器电路将稍微稳定。
为了最大限度地减少内部采样电容器的非线性影响，以及最大限度地减少电荷注入对输入电压的影响，最小 CISO 值是内部 SAR-ADC 采样电容器大小的 20 倍。通过注意该 R|C 电路必须在转换器的采集时间内完全稳定来找到 RISO 值。
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