【導(dǎo)讀】SAR ADC的驅(qū)動電路設(shè)計存在多個難點，處理不當(dāng)將導(dǎo)致ADC輸出碼值跳動范圍巨大。上周接觸到的一個案例就是這樣，與工程師檢視完原理圖，發(fā)現(xiàn)工程師是一款儀表放大器直接驅(qū)動16bit 1.5M SAR ADC，并且模擬電路由DCDC直接供電。
SAR ADC的驅(qū)動電路設(shè)計存在多個難點，處理不當(dāng)將導(dǎo)致ADC輸出碼值跳動范圍巨大。上周接觸到的一個案例就是這樣，與工程師檢視完原理圖，發(fā)現(xiàn)工程師是一款儀表放大器直接驅(qū)動16bit 1.5M SAR ADC，并且模擬電路由DCDC直接供電。查閱相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊，開玩笑道“SAR ADC驅(qū)動的三個坑全占了”，其中兩個問題此前已經(jīng)討論，1）開關(guān)電源紋波影響《開關(guān)電源供電電路中放大器電源抑制比的影響與改善方法》；2）驅(qū)動放大器的建立時間不足《放大器建立時間參數(shù)仿真》。而第三點是SAR ADC輸入端缺少RC電路，關(guān)于這個RC電路在《放大器輸出阻抗在有源濾波器設(shè)計中的影響評估》中提過，它的作用并不是濾波！??！本篇將詳細討論驅(qū)動RC的用途與設(shè)計方法，同時提供便捷化設(shè)計工具，并結(jié)合LTspice進行仿真。
1. SAR ADC模型與驅(qū)動原理
SAR型ADC輸入端電路如圖4.26(a)，在采集階段SAR型ADC的開關(guān)SW+,SW-連接到地（GND），獨立電容開關(guān)矩陣連接到輸入端,捕捉INx+與INx-輸入端模擬信號。采集完成進入轉(zhuǎn)換階段時，開關(guān)SW+、SW-斷開，獨立電容開關(guān)矩陣連接到地輸入，INx+與INx-輸入間差分電壓施加到比較器輸入端，導(dǎo)致比較器不平衡，按照二級制加權(quán)電壓變化實現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)化。
圖4.26SAR型ADC輸入電路及模型
簡化的SAR型ADC模型如圖4.26（b），當(dāng)開關(guān)S1閉合S2斷開，輸入信號Vin向電容CADC充電，電容電壓VADC到達輸入信號Vin電壓時采樣結(jié)束，進入轉(zhuǎn)換階段。
圖4.27SAR型ADC驅(qū)動電路
VADC波形如圖4.28（a）。因此需要驅(qū)動電路使電容CADC盡快充電，驅(qū)動電路需要使用放大器和輸出RC組成，如圖4.27。在S1閉合時，CADC沒有電荷，VIN電壓瞬間向下反沖，如圖4.28（b）。在放大器與CFILT共同向CADC提供電荷，VADC電壓逐步上升到與輸入電壓VIN相同時，輸入采集階段完成。
圖4.28采集階段Vin與VADC電壓
采集時間tACQ由RFILT、CFILT、CADC決定，完成充電的建立時間t為式4-17。
CADC電壓值VACD由電容CFILT、CADC，以及加載兩個電容上的電荷量QFILT、QADC，為式4-18。
由于初始采集時，QADC，QFILT為VIN與CFILT的乘積，反沖電壓最低點值為式4-19。
而反沖電壓為式4-20。
由RC網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的時間常數(shù)τ0.63為式4-21。
其中，VREF為基準(zhǔn)源參考電壓值，n為ADC位數(shù)。
根據(jù)工程經(jīng)驗，從VADC出現(xiàn)反沖恢復(fù)到距離VIN電壓小于0.5倍LSB電壓時，定義為采集時間tACQ，該指標(biāo)可以在ADC數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手冊中找到。所選擇的RC參數(shù)在ADC驅(qū)動過程中，需要滿足采集時間、時間常數(shù)、建立時間的關(guān)系為式4-22。
根據(jù)式4-22確認(rèn)RC參數(shù)值，但上述推論沒有考慮如下問題：
1)ADC采樣的帶寬為式4-23。
所以RC參數(shù)的選擇往往要在帶寬和采集時間之間多次迭代計算。
2)真實放大器的參數(shù)中，開環(huán)輸出阻抗的影響不可忽略，RFILT需要結(jié)合輸出阻抗。
3)由于ADC內(nèi)部采樣電容的非線性，當(dāng)RFILT值變大會導(dǎo)致ADC采樣失真，該失真不能通過降低采樣率改善。
因此，高效的設(shè)計SAR型ADC驅(qū)動的方法仍然是使用輔助工具和LTspice仿真軟件。
2. SRA ADC驅(qū)動輔助工具使用
在ADI 官網(wǎng)精密信號鏈設(shè)計工具界面，選擇“ADC Driver”進入ADC驅(qū)動工具窗口。如圖4.29（a），“ADC”項中選擇ADC的型號，輸入采樣率值和基準(zhǔn)源電壓值。在“Driver”項中，選擇放大器型號和電路結(jié)構(gòu)，輸入增益值、反饋電阻值、工作電壓值。在“input”項選擇輸入信號類型與輸入頻率值。在“Fliter”項，輸入RC參數(shù)值。在“Circuit”窗口查看電路結(jié)構(gòu)圖。進入“Niose&Distortion”窗口，工具提供電路的THD等信息 ,如圖4.29（b）。
圖4.29SAR型ADC驅(qū)動電路配置
進入“Input Setting”窗口，工具提供計算電路的反沖電壓值，ADC采集時間、RC電路帶寬參數(shù)，如圖4.30（a）。當(dāng)RC參數(shù)配置不良時，在“Niose&Distortion”窗口與“Input Setting”窗口會提供警告。工具還能夠生成LTspice電路，在“Next Step”窗口下載，如圖4.30（b）。
圖4.30 SAR型ADC驅(qū)動電路性能
3. LTspice仿真SAR型ADC驅(qū)動
如圖4.29中ADC 使用LTC2378-16,輸出速率為1MSPS,基準(zhǔn)源電壓為5V。放大器使用ADA4945-1，增益配置為1，電源軌電壓為-0.6V與5.6V，RFILT為20Ω，CFILT為3.3nf。得到反沖電壓為67mV，RC建立時間應(yīng)該小于采集時間tACQ460ns。由圖4.30（d）下載仿真的電路如圖4.31。
圖4.31 LTC2378-16驅(qū)動電路
瞬態(tài)分析結(jié)果如圖4.32，電壓從4.99979最低跌落到4.93705V,反沖電壓為62.74mV,RC建立時間為358.5ns小于采集時間tACQ460ns，與預(yù)期設(shè)計近似。所以讀者可以使用在線工具高效SAR ADC驅(qū)動放大器選型，以及根據(jù)具體放大器型號設(shè)計RC參數(shù)進行驗證。
圖4.32 LTC2378-16驅(qū)動電路仿真結(jié)果
如圖4.31在電路中，雙擊進入LTC2378-16進入內(nèi)部電路，如圖4.33。由S1、S3控制信號經(jīng)過電阻R1、R2，向電容C1、C2充電。其中R1、R2、C1、C2可由規(guī)格書確認(rèn)。
圖4.33 LTC2378-16 Spice模型電路
如圖4.34中 LT2378輸入電阻為40Ω，輸入電容為45pF。根據(jù)ADC時序操作，設(shè)計開關(guān)控制的時鐘，實現(xiàn)SAR型ADC的模型。
圖4.33 LTC2378-16 輸入模型
綜上，SAR ADC驅(qū)動放大器的選型與RC電路設(shè)計工作是具有極高挑戰(zhàn)的，不乏一些經(jīng)驗豐富老司機也會在此栽跟頭，所以筆者介紹設(shè)計原理，更多的推薦是借助輔助工具設(shè)計，以及LTspice進行仿真。此外，之前的文章都是以實際器件模型仿真電路性能，通過篇文章拋磚引玉，希望讀者能對LTspice建模有初步的認(rèn)識，這也是LTspice的重要應(yīng)用方向。
（作者：鄭薈民，轉(zhuǎn)載自：電子發(fā)燒友）
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