模擬基礎知識 ：處理 SAR ADC 輸入驅動難題

編者注：

模數轉換器 （ADC） 將模擬世界與數字世界連接，因此是連接現實世界中任何電子系統的基本組件。它們也是決定系統性能的關鍵因素。本系列文章探討ADC的基礎知識及其類型、應用。本文將探討SAR ADC的輸入驅動難題。

許多數據采集、工業控制和儀表應用都需要超高速模數轉換器 （ADC），而逐次逼近寄存器（SAR） 轉換器則能完全滿足這一要求。然而，我們必須確保SAR轉換器周圍的外部電路也能勝任這一任務，才能確保成功的轉換結果。對于SAR轉換器來說，需要特別注意的關鍵端子是其模擬信號輸入端——如果不加以重視，這些輸入引腳會產生穩定性問題和電容電荷“反沖”，從而導致轉換不準確并延長信號采集時間。

在SAR轉換器應用中，精確控制輸入信號的解決方案在于運算放大器（運放）的驅動。如搭配適當的輸出電阻和電容值，這些器件就是高分辨率、16位和20位SAR轉換器系統的高精度穩健解決方案的基礎。

本文將簡要討論實現穩定準確的SAR ADC轉換的相關問題。然后，介紹一款合適的運放來驅動SAR ADC，并說明如何實現必要的輸入驅動電路。我們將以Analog Devices的解決方案為例進行說明。

SAR ADC輸入電路

SAR ADC驅動電路具有將ADC與其信號源隔離的運算放大器（A1和A2）（圖1）。在該電路中，Rext通過“隔離”放大器的輸出級與ADC容性負載（CIN+和CIN-）和Cext隔離來保持穩定。Cext和CREF為ADC提供了一個近乎完美的輸入源，可以吸收來自IN+、IN-和REF輸入端子的開關電荷注入。輸入端子（IN+， IN-） 在轉換器的采集期間跟蹤輸入信號 （VSIG+， VSIG-）的電壓，為ADC輸入采樣電容CIN+和CIN-充電。

圖1：在該電路中，Rext將Cext與運放輸出級“隔離”。Cext和CREF在采樣期間為差分SAR ADC提供電荷儲備。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

以Analog Device的AD7915（16位）和AD4021（20位）SAR ADC為例觀察ADC內部，可以看到該器件使用了電荷再分配數模轉換器 （DAC）。容性DAC有兩個相同的二元加權電容陣列。這兩個電容陣列連接非反相和反相比較器輸入端（圖2）。

圖2：基于AD7915和AD4021的SAR ADC簡化原理圖，其中N表示轉換器位數。（圖片來源：Digi-Key Electronics，在Analog Devices原始資料基礎上進行了修改）

在采集階段，輸入端（IN+和IN-）切換到電容陣列。此外，SW+和SW-閉合，將最小有效位 （LSB） 電容與地（GND） 相連。在這種狀態下，電容陣列成為采樣電容，采集IN+和IN-模擬信號。采集階段結束后，控制邏輯（右側）的CNV輸入變為高電平，啟動轉換階段。

轉換階段開始時，先斷開SW+和SW-，將兩個電容陣列切換到GND。在這種配置下，捕獲的IN+和IN-差分電壓會導致比較器變得不平衡。電荷再分配DAC在GND和RE 之間有條不紊地將電容器陣列的每個元件從最重要的位（MSB） 切換到 LSB。比較器輸入按二元加權電壓步長來變化（VREF/2N-1， VREF/2N-2.。.VREF/4， VREF/2）。控制邏輯將開關從MSB切換為LSB，使得比較器回到平衡狀態。這個過程結束后，ADC返回采集階段，控制邏輯產生ADC輸出代碼。

輸入電荷注入、電路穩定性和驅動AD7915 ADC

轉換過程的關鍵是獲取準確的輸入信號電壓。當驅動放大器準確地向輸入電容器CIN+和CIN-進行充電時，ADC數據轉換過程就會順利進行，同時保持穩定，直至ADC采集時間結束。對設計者來說，問題在于ADC的輸入端引入了一個電容 （CIN+，CIN-） 以及需要驅動放大器進行管理的開關噪聲或“反沖”電荷注入。

放大電路Bode plot可以快速估算電路穩定性。Bode plot工具可以近似地描述放大器的開環和系統閉環增益傳遞函數的大小（圖3）。

圖3：圖1中的放大器開環和閉環傳遞函數，沒有將Rext和Cext作為放大器負載，下面是SAR ADC。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

y軸量化了放大器電路的開環增益 （AOL） 和閉環增益（ACL），其中放大器的AOL曲線從130分貝 （dB） 開始，閉環增益ACL等于0dB。沿X軸的單位以對數形式量化了從100赫茲（Hz） 到1千兆赫茲 （GHz） 的開環和閉環增益頻率。

在圖3中，放大器在大約220Hz （fO） 時的直流開環增益以-20dB/十倍頻程的速度從130dB下降。隨著頻率的增加，這種衰減在持續并在大約180兆赫茲 （MHz） 時跨過0dB。由于這條曲線表示單極系統，所以分頻器頻率fU等于單位增益穩定放大器的增益帶寬乘積 （GBWP）。該圖代表一個穩定的系統，因為AOL和ACL的截止率是20dB/十倍頻程。

加入Rext和Cext以及SAR ADC后，通過創建系統零點和極點來修改放大器電路（圖4）。該系統包括一個16位、每秒1兆次 （MSPS） 的AD7915差分PulSAR ADC和一個180MHz、軌至軌輸入/輸出ADA4807-1放大器，該器件由Analog Devices提供。由于存在30皮法（pF）（典型值）的ADC輸入電容負載，放大器和ADC的組合需要Rext。該電路還需要Cext作為充電筒，在ADC輸入端提供足夠的電荷，以準確匹配輸入電壓。

圖4：所示為兩個ADA4807運算放大器驅動具有兩對獨立Rext/Cext的AD7915 SAR ADC的Bode圖響應。fP1和fZ1轉折頻率改變了放大器的開環增益，形成穩定的系統響應。fP2和fZ2的轉折頻率改變了放大器的開環增益，形成了一個略微穩定的響應。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

如圖4所示，由于電路在初始采集時ADC的電容負載和ADC的開關電荷注入，有可能發生振蕩。Rext/Cext放大器輸出元件所產生的額外極點和零點保證了系統穩定，所以開環和閉環增益曲線交點大于20dB/十倍頻程，使相位裕度小于45°。這種配置與fP2和fZ2一起構成一個不穩定電路。 為避免不穩定，在評估電路中帶有Rext和Cext的放大器開環增益曲線時，設計人員需要考慮放大器的開環輸出電阻RO的影響。阻值為50歐姆 （W） 的RO與Rext、Cext的組合通過引入一個極點（fP，公式1）和一個零點（fZ，公式2）來修正開環響應曲線。RO、Rext和Cext的值決定了fP的轉折頻率。Rext和Cext的值決定了零轉折頻率fZ。

等式1

等式2

fP和fZ的計算結果是：

fP1 = 842kHz

fZ1 = 2.95MHz

其中：RO = 50WRext = 20WCext = 2.7納法拉 （nF）

fP2 = 22.7MHz

fZ2 = 79.5MHz

其中：RO = 50WRext = 20WCext = 0.1nF

上述fP1和fZ1的值使AD7915和ADA4807-1成為一個穩定的系統。

驅動Easy Drive AD4021 SAR ADC

AD7915的替代產品是AD4021 20位1MSPS Easy Drive SAR轉換器。AD4021器件系列將輸入反沖和輸入電流顯著降低至0.5微安 （μA）/MSPS。Easy Drive器件的特點是能降低功耗和信號鏈復雜性。 AD4021的模擬輸入端采用了能夠降低典型開關式電容SAR輸入非線性電荷反沖的電路。因為減少了反沖并延長了采集階段，因此可以使用較低帶寬、較低功率的驅動放大器（圖5）。

圖5：AD4021的輸入電路和采集時序降低了反沖開關電流，放寬了驅動放大器的嚴格要求。（圖片來源：Analog Devices）

減少反沖并延長采集時間，也使得輸入電阻電容 （RC） 濾波器中的Rext電阻值增大，Cext電容相應減小。這種較小的Cext放大器負載組合提高了穩定性，降低了功耗。 使用單路5伏電源的AD4021的推薦連接圖似乎具有類似電路圖。但對放大器的要求降低了，Rext/Cext（R和C）的值更小（圖6）。

圖6：AD4021和ADA4807-1的典型應用圖，由單路5伏電源供電，與以上論的AD7915驅動相比，對放大器的要求更低，Rext值更大。（圖片來源：Analog Devices）

圖6中，基于SAR的AD4021也采用了電荷再分配采樣DAC。ADC有一個板載轉換時鐘和串行時鐘。因此，轉換過程不需要同步時鐘（SCK） 輸入。這種時鐘配置可以延長采集時間，通過為輸入信號提供更長的時間使其建立至最終值，從而提高精度。 AD7915和AD4021的驅動放大器主要考慮的是噪聲，因為放大器/Rext/Cext組合必須從滿量程階躍到16位水平 （0.0015%， 15ppm） 的AD7915，以及20位水平（0.00001%， 1ppm） 的AD4021。

為了保持AD7915和AD4021的信噪比（ SNR） 性能，驅動放大器的噪聲必須小于ADC噪聲的三分之一。AD4021的噪聲為60微伏有效值 （mVrms），這就要求放大器/Rext/Cext組合的噪聲小于20mVrms。AD4021的噪聲為31.5mVrms，這就要求放大器/Rext/Cext組合的噪聲小于10.5mVrms。

Analog Devices的精密ADC驅動器工具可幫助設計人員快速計算出正確的Rext和Cext值。通過選定的驅動器和ADC，該工具可以模擬電路的建立時間、噪聲和失真行為。

結語

SAR ADC將繼續在超高速數據采集、工業控制和儀器儀表應用中占據主導地位。然而，我們需要考慮這類器件的外部輸入電路——驅動放大器和輸入濾波器，以適應潛在的開關電荷注入和放大器穩定性問題。

大多數SAR轉換器（如AD7916和AD4021）精確控制輸入信號的解決方案都依賴運放驅動器，如本示例中的ADA4807-1。如圖所示，這類器件在適當的輸出電阻和電容值的支持下形成一個堅實的基礎，然后在此基礎上建立一個高精度、穩健、高分辨率、16位或20位SAR轉換器系統。

編輯：jq