通常工程師在設計SAR ADC時
，通常需要注意以下三個方麵：ADC前端驅動設計，參考電壓設計，數字信號輸出部分設計。本文將介紹ADC的前端驅動所需要的注意的一些要素。

 

如圖所示是一個常見的SAR ADC的驅動電路包括驅動放大器和RC濾波。接下來將從如何設計RC濾波器
，以及如何選擇合適的運算放大器展開。

 

圖1.  SAR ADC驅動電路基本架構

 

如何設計RC濾波網絡

 

首先我們來看一下RC網絡的設置
，對於RC網絡，它的主要作用分為以下兩個方麵：

 

1：對ADC的Csh進行充電，由於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，開始采樣時，Csh的電荷由輸入部分（Qfrm_opa）和RC濾波電容（Qfrm_cflit）提供
，保證在一定時間內達到精度的要求。顯然
，隨著采樣精度和采樣率的不斷提高，驅動ADC的難度加大
，因為必須在有限的時間內采樣時間（tacq）內將Csh上的電壓達到滿足精度要求（1/2LSB內）。所以我們在ADC前加入電容
，當采樣保持階段時對Csh進行充電
，保證采樣的精度。電阻則作為隔離作用，避免運放直接驅動容性負載，提升係統的穩定性。

 

圖2.  SAR ADC采樣保持階段電流方向

 

2：RCwangluotongshiyexianzhileshuruxinhaodedaikuan
，bingqiejiangdileyunfangdailaidezaoshengliang
，danshiyucitongshi
，daikuandexianzhihuishixinhaodeyanchangjianlishijian
，yinqixinhaodeshizhen

 

我們設計RC網絡的目標就是在有限的時間內采樣時間（tacq）內將Csh上的電壓達到滿足精度要求（1/2LSB內），如果不加入RC或者RC選擇不合適
，可能出現如圖所示的情況(橫坐標為時間，縱左邊為Vfilt電壓，可以看到信號幅值變化大且反向恢複時間長)，這是因為運放的帶寬不足或者RC電路中電容太小
，導致Qfrm_opa與Qfrm_cflit不能在采樣時間（tacq）內將電荷轉移至Csh中，如果在信號沒有達到足夠的采樣時間內進行采樣
，就會產生信號失真。

 

圖3.  不合適的RC濾波導致信號幅度變化大且反向恢複時間長

 

顯然，我們無法同一個RC網絡使用在不同的SAR ADC的應用中，那麼我們要怎麼去為SAR ADC設計一個合適的RC濾波網絡呢
？

 

如下圖所示為SAR ADC的簡化原理圖

，以最壞的情況，CSH對地放電為例。當開關S1關閉時,開關S2打開時，電容CIN與CSH共享電荷可得出等式 ，由於電容CSH對地放電
，則QSH=0，且QIN=VIN*CIN，則可以得出

 

圖4.  SAR ADC驅動電路基本架構

 

則可以推算出 ，如圖所示：

 

圖5.  SAR ADC驅動VIN電壓

 

在ADC的采集階段，ADC建立至1/2LSB所需要的RC時間常數 , 其中tacq為采集時間Ntc為建立所需的時間常數數目。所需的時間常數數目可以通過計算階躍大小VSTEP與建立誤差（本例為1/2LSB）之比的自然對數來獲得：

 

 

由此

，我們可以求出RC的時間常數
，根據 
，可以得出RC的值以及帶寬。

 

以TI 16位ADC：ADS8860 為例，從數據手冊第8頁可以得到以下信息：

 

圖6.  ADS8860數據手冊數據

 

它的MAX Conversion time為 710ns ，Min Acquisition time 為290ns ,吞吐率為1Msps,假設,參考電壓為5V,信號為100kHz的正弦波

 

那麼在轉換時間，信號最大變化量為：

 

 

根據ADS8860的CSH=59pF
，一般CIN選擇CSH的20倍以上，這裏取CIN=5.9nF則可以計算出Vkick電壓：

 

 

接下來計算建立到1/2LSB的時間常數：

 

 

則可以得出：

 

 

因此選擇R=8.6ohm，帶寬為3.13MHz

 

將取值帶入仿真後可得圖
，相對於沒有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，反向建立時間也更短。

 

圖7.  不合適的RC與加入計算後RC的VIN電壓波形對比

 

由我們的公式我們可以知道，當吞吐率越高時

，我們對采樣保持的時間就相對越短
，從而需要更大的RC帶寬。所以當隨著精度和采樣率的不斷提高，設計RC的難度會加大,我們需要權衡設計驅動的參數。

 

如何選擇適合的驅動放大器

 

首先必須說明的是驅動放大電路並不是總是需要的
，他的作用通常有以下幾個：

 

1. 用於信號類型的轉換

，例如單端信號轉化為差分信號

2. 以對信號進行調理
，例如將信號放大/縮小等

3. 如果輸入阻抗小
，可以放置運放來增大輸入的阻抗，和減少輸出阻抗

4. 限製帶寬
，防止高頻信號輸入進行幹擾

 

當信號帶寬低，信號變化十分緩慢，如氣體，溫度等，可以直接使用RC進行驅動，降低成本,結構如圖所示。

 

圖8.  無運放驅動SAR ADC電路簡圖

 

那麼在我們選擇運放的時候需要注意以下參數：運放的帶寬，運放的噪聲特性，運放的失真特性等。

 

運放的帶寬：帶寬大的運放可以讓RC電路更快的進行充電，一般來說，選擇運放的帶寬為RC濾波器的4倍以上，如果需要運放提供電壓增益則需要選擇更大帶寬的運放。但是同時帶寬大的運放往往靜態電流和失調/偏置電流會比較大，所以要進行取舍。

 

運放的噪聲特性：對於運放的噪聲特性來說，為了不讓運放的噪聲對ADC的精度產生影響

，一般會使運放的總噪聲在ADC噪聲的1/5左右。如果
，ADC的SNR為86dB，Vref=5V，那麼該係統中的總噪聲應該小於：

 

 

根據計算得出的總噪聲，取ADC噪聲的1/5
，進行計算可以計算出應該選擇的運放的1/f噪聲和寬帶噪聲的最大影響值，假設選用的運放有極小的1/f噪聲可以忽略不計的話，可以經過以下公式計算，得出結果：

 

 

像Ti的產品OPA320，由數據手冊第8頁中可得，寬帶噪聲密度為可以滿足要求

 

圖9.  OPA320數據手冊噪聲數據

 

運放的失真特性：對於ADC的de驅qu動dong運yun放fang來lai說shuo
，我wo們men通tong常chang需xu要yao選xuan擇ze輸shu入ru輸shu出chu軌gui對dui軌gui的de運yun放fang，防fang止zhi不bu必bi要yao的de輸shu出chu失shi真zhen，但dan是shi通tong常chang正zheng負fu軌gui對dui軌gui的de運yun放fang價jia格ge相xiang對dui的de高gao，所suo以yi通tong常chang使shi用yong的de是shi單dan電dian源yuan輸shu入ru，單dan極ji軌gui對dui軌gui的de運yun放fang。

 

 

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