圖4.26SAR型ADC輸入電路及模型
放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2021-02-19 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】SAR ADC的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)存在多個(gè)難點(diǎn),處理不當(dāng)將導(dǎo)致ADC輸出碼值跳動(dòng)范圍巨大。上周接觸到的一個(gè)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(dòng)16bit 1.5M SAR ADC,并且模擬電路由DCDC直接供電。
SAR ADC的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)存在多個(gè)難點(diǎn),處理不當(dāng)將導(dǎo)致ADC輸出碼值跳動(dòng)范圍巨大。上周接觸到的一個(gè)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(dòng)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(cè),開玩笑道“SAR ADC驅(qū)動(dòng)的三個(gè)坑全占了”,其中兩個(gè)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(dòng)放大器的建立時(shí)間不足《放大器建立時(shí)間參數(shù)仿真》。而第三點(diǎn)是SAR ADC輸入端缺少RC電路,關(guān)于這個(gè)RC電路在《放大器輸出阻抗在有源濾波器設(shè)計(jì)中的影響評(píng)估》中提過,它的作用并不是濾波?。?!本篇將詳細(xì)討論驅(qū)動(dòng)RC的用途與設(shè)計(jì)方法,同時(shí)提供便捷化設(shè)計(jì)工具,并結(jié)合LTspice進(jìn)行仿真。
1. SAR ADC模型與驅(qū)動(dòng)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(dú)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(hào)。采集完成進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段時(shí),開關(guān)SW+、SW-斷開,獨(dú)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(jí)制加權(quán)電壓變化實(shí)現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)化。
圖4.26SAR型ADC輸入電路及模型
簡(jiǎn)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(hào)Vin向電容CADC充電,電容電壓VADC到達(dá)輸入信號(hào)Vin電壓時(shí)采樣結(jié)束,進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段。
圖4.27SAR型ADC驅(qū)動(dòng)電路
VADC波形如圖4.28(a)。因此需要驅(qū)動(dòng)電路使電容CADC盡快充電,驅(qū)動(dòng)電路需要使用放大器和輸出RC組成,如圖4.27。在S1閉合時(shí),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(shí),輸入采集階段完成。
圖4.28采集階段Vin與VADC電壓
采集時(shí)間tACQ由RFILT、CFILT、CADC決定,完成充電的建立時(shí)間t為式4-17。
CADC電壓值VACD由電容CFILT、CADC,以及加載兩個(gè)電容上的電荷量QFILT、QADC,為式4-18。
由于初始采集時(shí),QADC,QFILT為VIN與CFILT的乘積,反沖電壓最低點(diǎn)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(shí)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(yàn),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(shí),定義為采集時(shí)間tACQ,該指標(biāo)可以在ADC數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。所選擇的RC參數(shù)在ADC驅(qū)動(dòng)過程中,需要滿足采集時(shí)間、時(shí)間常數(shù)、建立時(shí)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(shí)間之間多次迭代計(jì)算。
2)真實(shí)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(huì)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(jì)SAR型ADC驅(qū)動(dòng)的方法仍然是使用輔助工具和LTspice仿真軟件。
2. SRA ADC驅(qū)動(dòng)輔助工具使用
在ADI 官網(wǎng)精密信號(hào)鏈設(shè)計(jì)工具界面,選擇“ADC Driver”進(jìn)入ADC驅(qū)動(dòng)工具窗口。如圖4.29(a),“ADC”項(xiàng)中選擇ADC的型號(hào),輸入采樣率值和基準(zhǔn)源電壓值。在“Driver”項(xiàng)中,選擇放大器型號(hào)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(xiàng)選擇輸入信號(hào)類型與輸入頻率值。在“Fliter”項(xiàng),輸入RC參數(shù)值。在“Circuit”窗口查看電路結(jié)構(gòu)圖。進(jìn)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(dòng)電路配置
進(jìn)入“Input Setting”窗口,工具提供計(jì)算電路的反沖電壓值,ADC采集時(shí)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(shí),在“Niose&Distortion”窗口與“Input Setting”窗口會(huì)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(dòng)電路性能
3. LTspice仿真SAR型ADC驅(qū)動(dòng)
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(shí)間應(yīng)該小于采集時(shí)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(dòng)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(shí)間為358.5ns小于采集時(shí)間tACQ460ns,與預(yù)期設(shè)計(jì)近似。所以讀者可以使用在線工具高效SAR ADC驅(qū)動(dòng)放大器選型,以及根據(jù)具體放大器型號(hào)設(shè)計(jì)RC參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。
圖4.32 LTC2378-16驅(qū)動(dòng)電路仿真結(jié)果
如圖4.31在電路中,雙擊進(jìn)入LTC2378-16進(jìn)入內(nèi)部電路,如圖4.33。由S1、S3控制信號(hào)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(shí)序操作,設(shè)計(jì)開關(guān)控制的時(shí)鐘,實(shí)現(xiàn)SAR型ADC的模型。
圖4.33 LTC2378-16 輸入模型
綜上,SAR ADC驅(qū)動(dòng)放大器的選型與RC電路設(shè)計(jì)工作是具有極高挑戰(zhàn)的,不乏一些經(jīng)驗(yàn)豐富老司機(jī)也會(huì)在此栽跟頭,所以筆者介紹設(shè)計(jì)原理,更多的推薦是借助輔助工具設(shè)計(jì),以及LTspice進(jìn)行仿真。此外,之前的文章都是以實(shí)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(duì)LTspice建模有初步的認(rèn)識(shí),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)
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請(qǐng)電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
特別推薦
- 利用自動(dòng)化技術(shù)賦能中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化
- 三極管電路輸入電壓阻抗
- 晶振怎么用,你真的知道嗎?
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
- 思特威推出超星光級(jí)系列4MP圖像傳感器SC485SL
- HOLTEK新推出HT32F59045脈搏血氧儀MCU
技術(shù)文章更多>>
- 貿(mào)澤推出針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和智慧城市的工程技術(shù)資源中心
- “扒開”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國(guó)電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢(mèng)想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測(cè)試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測(cè)量?jī)x
頻率器件
頻譜測(cè)試儀
平板電腦