SAR ADC是什么？選擇需考慮哪些因素？

SAR ADC是一個(gè)非常常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一種在速度、分辨率和功率之間提供了很好平衡的折衷方案。SAR ADC的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是幾乎沒(méi)有延遲。因此在很多應(yīng)用領(lǐng)域都能看到使用SAR ADC。

本文將介紹SAR ADC的原理，以及SAR ADC驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)需要注意的一些要點(diǎn)。

SAR ADC原理

SAR ADC(Successive Approximation Register)，即逐次逼近型ADC。 如下圖，SAR ADC主要分成四個(gè)部分: 采樣保持電路、模擬比較器、SAR逐次逼近寄存器和DAC數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。

SAR ADC的工作過(guò)程主要有兩個(gè)階段：采樣階段和轉(zhuǎn)化階段。

采樣階段：

在采樣階段，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S1閉合，這時(shí)對(duì)ADC采樣電容C充電。

采樣電容上的電壓與內(nèi)部DAC通過(guò)比較器上的電壓，從高位到低位，逐級(jí)比較。

逐次逼近寄存器在每個(gè)時(shí)鐘周期向內(nèi)部DAC提供額外的代碼。

如果采樣電容上的模擬電壓高于內(nèi)部DAC電壓，記為1

如果采樣電容上的模擬電壓高于內(nèi)部DAC電壓，記為0

當(dāng)今工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)在要求系統(tǒng)更快、更準(zhǔn)確和更小的同時(shí)，還希望實(shí)現(xiàn)更低的功耗及更高的可靠性。此類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員必須選擇合適的組件以確保上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，核心組件之一就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

SAR ADC 的優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇的 ADC 有好幾種，包括流水線(xiàn)型、增量-累加 (ΔΣ) 型和 SAR (逐次逼近寄存器) 型架構(gòu)。這里我們不去深究每種 ADC 的工作原理，而是只關(guān)注一下在選擇 ADC 時(shí)必須考慮的若干特性。流水線(xiàn)型 ADC 可提供非?？斓霓D(zhuǎn)換時(shí)間、能以極低的失真對(duì)非?？斓妮斎胄盘?hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，但需吸收高電源電流，且具有不良的信噪比 (SNR) 和流水線(xiàn)延遲 (輸入被采樣的時(shí)刻與可提供數(shù)據(jù)的時(shí)刻之間的固定樣本數(shù)量延遲)。SNR 欠佳的問(wèn)題雖可利用求平均來(lái)克服，但這將以犧牲有效采樣速率為代價(jià)。流水線(xiàn)延遲會(huì)損害數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，讓控制環(huán)路的精細(xì)調(diào)諧變得困難。ΔΣ ADC 在要求高精度和低噪聲的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，但其低采樣速率則限制了其在接近 DC 應(yīng)用中的使用。SAR ADC 可提供從幾 MHz 到低至 DC 的轉(zhuǎn)換速率范圍，能夠處理從 DC 至數(shù)十 MHz 的輸入信號(hào)，并擁有上佳的 SNR 和低失真。SAR ADC 能以一種“按需”的方式進(jìn)行采樣，隨后提供該數(shù)據(jù) (沒(méi)有任何的流水線(xiàn)延遲)，并為控制系統(tǒng)提供適時(shí)反饋，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)具良好瞬態(tài)響應(yīng)的嚴(yán)密控制環(huán)路。

先進(jìn)的 SAR ADC

凌力爾特公司推出的 LTC2379-18 標(biāo)志著 SAR 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一項(xiàng)重大進(jìn)步。LTC2379-18 是一款功耗僅 18mW 的 1.6MSPs、18 位 SAR ADC，采用 16 引腳 MSOP 封裝和 4mm x 3mm DFN 封裝。LTC2379-18 使用一個(gè) 2.5V 工作電源，具有一個(gè) ±2.5V 至 ±5.1V 的全差分輸入范圍 (由 VREF 設(shè)定)。憑借 < -115dB 的保證總諧波失真 (THD)、> 98dB 的信噪比、< 2LSB 的積分非線(xiàn)性 (INL)、無(wú)漏失碼 (在 18 位) 以及在高達(dá) 125?C 溫度下得到保證的工作性能，LTC2379-18 提供了當(dāng)今控制系統(tǒng)所需要的速度、準(zhǔn)確度、低功耗和可靠性。

速度較高的 ADC 可測(cè)量較小的時(shí)間增量

新式系統(tǒng)所需的精細(xì)控制使得測(cè)量較小時(shí)間增量的能力成為不可或缺。這種在實(shí)時(shí)環(huán)路中測(cè)量較小時(shí)間增量的能力受限于 ADC 的最大采樣速率。最大采樣速率與 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間及采集時(shí)間之和呈逆相關(guān)。由于數(shù)據(jù)移出需要時(shí)間，因此通常都認(rèn)為串行 ADC 的速度低于并行 ADC。就串行 ADC 而言，數(shù)據(jù)往往是在采集期間進(jìn)行傳送。如果數(shù)據(jù)傳送時(shí)間少于采集時(shí)間，那么在轉(zhuǎn)換時(shí)間和采集時(shí)間相似的情況下，串行 ADC 的最大采樣頻率并不比并行 ADC 慢。LTC2379-18 具有 200ns 的最小采集時(shí)間，這與 180ns 的最小數(shù)據(jù)傳送時(shí)間近似相等，表明該器件專(zhuān)門(mén)針對(duì)最大采樣頻率進(jìn)行了優(yōu)化。

重要的是更高的準(zhǔn)確度 (而并非僅僅是“位數(shù)”)

同樣是對(duì)于更精細(xì)控制的需求還導(dǎo)致控制系統(tǒng)必需擁有更高的準(zhǔn)確度。當(dāng)從 16 位性能提升至 18 位性能時(shí)，重要是不能只把注意力放在“位數(shù)”上。不要被“以行銷(xiāo)為目的的位數(shù)”宣傳所蒙蔽。要確定 ADC 所擬訂的規(guī)格中包括“整個(gè)溫度范圍內(nèi)的無(wú)漏失碼”。具有優(yōu)良 SNR 的 ADC 可在進(jìn)行測(cè)量時(shí)提供更大的噪聲裕量，從而減低了對(duì)于求平均的要求。減少求平均可產(chǎn)生具較小延遲的控制環(huán)路，從而令控制環(huán)路的穩(wěn)定性有所提升。DC 應(yīng)用要求上佳的 INL 和 DNL 規(guī)格，而 AC 應(yīng)用則需要良好的 THD 性能指標(biāo)。圖 1 中的 FFT 示出了 LTC2379-18 的典型性能，其中包括 101.2dB 的 SNR 及 -120dB 的 THD。

小尺寸允許更多的通道

LTC2379-18 可兼容 SPI 標(biāo)準(zhǔn)，并能與 1.8V、2.5V、3.3V 和 5V 邏輯器件系列相連。圖 2 中所示的一種菊鏈模式允許多個(gè) LTC2379-18 共用 SPI 和 BUSY 線(xiàn)路，這在具有大量轉(zhuǎn)換器的場(chǎng)合是有益處的，否則有可能使所需的信號(hào)數(shù)目不切實(shí)際。而且，當(dāng)對(duì)來(lái)自幾個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步 (這是保持通道間的相位信息所必需的) 時(shí)，鏈接模式也是有用的。假如數(shù)字主機(jī)能夠等待最大轉(zhuǎn)換時(shí)間之后再起動(dòng)數(shù)據(jù)傳送，那么就可以免除 BUSY 線(xiàn)路，從而可把線(xiàn)路數(shù)目從 4 條進(jìn)一步減少至 3 條。

低功耗降低了成本、簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)

由于控制系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜、通道數(shù)目日益增多、而與此同時(shí)可用空間卻在不斷縮小，因此降低系統(tǒng)功率需求變得更加重要。除了削減運(yùn)作成本之外，降低功率要求還可簡(jiǎn)化熱管理。選擇那些具內(nèi)置電源管理功能的組件可使功耗的降低變得容易。比如：LTC2379-18 在一次轉(zhuǎn)換操作之后會(huì)自動(dòng)斷電，因而在低采樣速率下可實(shí)現(xiàn)更低的功耗。

單電源 ADC 常常具有一個(gè)從地電位至 VREF 的模擬輸入范圍。由于驅(qū)動(dòng)器峰值空間要求的緣故，這意味著負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng) ADC 的驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)至少比 Vref 高幾百 mV 的電源電壓和一個(gè)比地電位低幾百 mV 的負(fù)電源。即使采用軌至軌驅(qū)動(dòng)器情況也是如此，因?yàn)槭д鏁?huì)隨著輸出接近正電源或負(fù)電源而增加。迄今為止，這意味著要么為保持低失真而采用單工作電源 (白白浪費(fèi)靠近地和 V+ 的幾千個(gè)代碼)，要么采用分離型工作電源而付出功耗增加的代價(jià)。

LTC2379-18 提供了一種數(shù)字增益壓縮功能，該功能可在采用一個(gè)介于 ±VREF 模擬輸入電壓的 10% 至 90% 之間的輸入時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)零標(biāo)度至全標(biāo)度的 ADC 輸出擺幅。對(duì)于一個(gè) 5V 基準(zhǔn)，這意味著模擬輸入范圍為 0.5V 至 4.5V，同時(shí)仍然保持了所有 262,144 個(gè)輸出代碼，如圖 3 所示。壓縮模擬輸入范圍可為 ADC 驅(qū)動(dòng)器提供更多高于地電位和低于正電源電壓的空間。此項(xiàng)功能使得 LTC2379-18 緩沖器能夠用單個(gè)電源來(lái)供電，從而實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能。

同時(shí)保持了完整的數(shù)字輸出范圍，從而實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng)器運(yùn)作。

可靠性使產(chǎn)品合乎需要

可靠性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的目標(biāo)之一?？蛻?hù)希望購(gòu)買(mǎi)可靠的產(chǎn)品。增加噪聲裕量、提供更準(zhǔn)確的讀數(shù)、減少信號(hào)線(xiàn)和電源的數(shù)目、較低的功耗及上佳的熱管理均可提升系統(tǒng)的可靠性。選擇高質(zhì)量的組件 (包括 ADC) 也是同樣重要的一環(huán)。應(yīng)謹(jǐn)慎地確保諸如 INL、DNL、SNR 和 THD 等所有關(guān)鍵的 ADC 性能指標(biāo) (而不僅僅是典型規(guī)格) 均得到全面的保證。同樣重要的是：規(guī)格指標(biāo)應(yīng)在系統(tǒng)必須運(yùn)作的整個(gè)溫度范圍內(nèi)予以保證。

單電源實(shí)例顯現(xiàn)了 LTC2379-18 的優(yōu)勢(shì)

LT6350 可用于對(duì)大的真正雙極信號(hào) (其擺幅從低于地電位至 LTC2379-18 的 ±4V 差分輸入范圍) 進(jìn)行緩沖和轉(zhuǎn)換，并啟用了數(shù)字增益壓縮功能，旨在最大限度地?cái)U(kuò)展可進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換的信號(hào)擺幅。如圖 4 所示，LT6350 被用于轉(zhuǎn)換一個(gè) ±10V 的真正雙極信號(hào)，以供 LTC2379-18 使用。在這種場(chǎng)合，LT6350 中的第一個(gè)放大器被配置為一個(gè)反相放大器級(jí)，其作用是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減并將其電平移位至 LTC2379-18 的 0.5V 至 4.5V 輸入范圍。在反相放大器配置中，輸入阻抗由電阻器 RIN 設(shè)定。RIN 必須根據(jù)信號(hào)源的源阻抗謹(jǐn)慎地選擇。當(dāng) LT6350 和 LTC2379-18 作為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，較高的 RIN 值往往會(huì)使其噪聲和失真指標(biāo)均有所下降。較低的 RIN 值則有可能讓信號(hào)源難以驅(qū)動(dòng)。LT6350 中第一個(gè)放大器輸入端上的電阻器應(yīng)仔細(xì)選擇，以實(shí)現(xiàn)期望的衰減、共模輸出電壓并保持一個(gè)平衡的輸入阻抗。圖 4 中的電路具有一個(gè) 99dB 的 SNR 和一個(gè) -95dB 的 THD。