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如何设计逐次逼近型模数转换器的驱动电路

2021-12-30 17:04:15 德州仪器 阅读:
通常工程师在设计SAR ADC时,通常需要注意以下三个方面:ADC前端驱动设计、参考电压设计、数字信号输出部分设计。本文将介绍ADC的前端驱动所需注意的一些要素。

逐次逼近型(SAR)ADC是在工业、汽车、通信行业中应用最广泛的ADC之一,例如电机电流采样,电池电压电流监控,温度监控等等。Trcednc

通常工程师在设计SAR ADC时,通常需要注意以下三个方面:ADC前端驱动设计、参考电压设计、数字信号输出部分设计。本文将介绍ADC的前端驱动所需注意的一些要素。Trcednc

如图所示是一个常见的SAR ADC的驱动电路包括驱动放大器和RC滤波。接下来将从如何设计RC滤波器,以及如何选择合适的运算放大器展开。Trcednc

Trcednc

图1:SAR ADC驱动电路基本架构Trcednc

如何设计RC滤波网络

首先我们来看一下RC网络的设置,对于RC网络,它的主要作用分为以下两个方面:Trcednc

1:对ADC的Csh进行充电,由于ADC采样保持阶段需要输入给采样保持电容Csh充电。如图所示,开始采样时,Csh的电荷由输入部分(Qfrm_opa)和RC滤波电容(Qfrm_cflit)提供,保证在一定时间内达到精度的要求。显然,随着采样精度和采样率的不断提高,驱动ADC的难度加大,因为必须在有限的时间内采样时间(tacq)内将Csh上的电压达到满足精度要求(1/2LSB内)。所以我们在ADC前加入电容,当采样保持阶段时对Csh进行充电,保证采样的精度。电阻则作为隔离作用,避免运放直接驱动容性负载,提升系统的稳定性。Trcednc

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图2:SAR ADC采样保持阶段电流方向Trcednc

2:RC网络同时也限制了输入信号的带宽,并且降低了运放带来的噪声量,但是于此同时,带宽的限制会使信号的延长建立时间,引起信号的失真Trcednc

我们设计RC网络的目标就是在有限的时间内采样时间(tacq)内将Csh上的电压达到满足精度要求(1/2LSB内),如果不加入RC或者RC选择不合适,可能出现如图所示的情况(横坐标为时间,纵左边为Vfilt电压,可以看到信号幅值变化大且反向恢复时间长),这是因为运放的带宽不足或者RC电路中电容太小,导致Qfrm_opa与Qfrm_cflit不能在采样时间(tacq)内将电荷转移至Csh中,如果在信号没有达到足够的采样时间内进行采样,就会产生信号失真。Trcednc

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图3:不合适的RC滤波导致信号幅度变化大且反向恢复时间长Trcednc

显然,我们无法同一个RC网络使用在不同的SAR ADC的应用中,那么我们要怎么去为SAR ADC设计一个合适的RC滤波网络呢?Trcednc

如下图所示的SAR ADC的简化原理图,以最坏的情况,CSH对地放电为例,当开关S1关闭,开关S2打开时,电容CIN与CSH共享电荷,可得出等式:Trcednc

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由于电容CSH对地放电,则QSH=0,且QIN=VIN*CIN,因此可以得出:Trcednc

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      Trcednc

图4:SAR ADC驱动电路基本架构Trcednc

然后可以推算出:Trcednc

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如图所示:Trcednc

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图5:SAR ADC驱动VIN电压Trcednc

在ADC的采集阶段,ADC建立至1/2LSB所需要的RC时间常数τ=tacq/Ntc,其中tacq为采集时间Ntc为建立所需的时间常数数目。所需的时间常数数目可以通过计算阶跃大小VSTEP与建立误差(本例为1/2LSB)之比的自然对数来获得:Trcednc

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由此,我们可以求出RC的时间常数τ,根据τ,可以得出RC的值以及带宽。Trcednc

以TI 16位ADC:ADS8860 为例,从数据手册第8页可以得到以下信息:Trcednc

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图6:ADS8860数据手册数据Trcednc

它的Max Conversion time为710ns ,Min Acquisition time为290ns,吞吐率为1Msps,假设参考电压为5V,信号为100kHz的正弦波。那么在转换时间,信号最大变化量为:Trcednc

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根据ADS8860的CSH=59pF,一般CIN选择CSH的20倍以上,这里取CIN=5.9nF则可以计算出Vkick电压:Trcednc

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接下来计算建立到1/2LSB的时间常数:Trcednc

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则可以得出:Trcednc

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因此选择R=8.6Ω,带宽为3.13MHz。Trcednc

将取值带入仿真后可得图,相对于没有RC滤波的ADC而言,加入合适的RC滤波可以使ADC-Vin电压变化幅度变小,反向建立时间也更短。Trcednc

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图7:不合适的RC与加入计算后RC的VIN电压波形对比Trcednc

由我们的公式我们可以知道,当吞吐率越高时,我们对采样保持的时间就相对越短,从而需要更大的RC带宽。所以当随着精度和采样率的不断提高,设计RC的难度会加大,我们需要权衡设计驱动的参数。Trcednc

如何选择适合的驱动放大器

首先必须说明的是驱动放大电路并不是总是需要的,他的作用通常有以下几个:Trcednc

  1. 用于信号类型的转换,例如单端信号转化为差分信号
  2. 以对信号进行调理,例如将信号放大/缩小等
  3. 如果输入阻抗小,可以放置运放来增大输入的阻抗,和减少输出阻抗
  4. 限制带宽,防止高频信号输入进行干扰

当信号带宽低,信号变化十分缓慢,如气体,温度等,可以直接使用RC进行驱动,降低成本,结构如图所示。Trcednc

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图8:无运放驱动SAR ADC电路简图Trcednc

那么在我们选择运放的时候需要注意以下参数:运放的带宽,运放的噪声特性,运放的失真特性等。Trcednc

运放的带宽:带宽大的运放可以让RC电路更快的进行充电,一般来说,选择运放的带宽为RC滤波器的4倍以上,如果需要运放提供电压增益则需要选择更大带宽的运放。但是同时带宽大的运放往往静态电流和失调/偏置电流会比较大,所以要进行取舍。Trcednc

运放的噪声特性:对于运放的噪声特性来说,为了不让运放的噪声对ADC的精度产生影响,一般会使运放的总噪声在ADC噪声的1/5左右。如果,ADC的SNR为86dB,Vref=5V,那么该系统中的总噪声应该小于:Trcednc

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根据计算得出的总噪声,取ADC噪声的1/5,进行计算可以计算出应该选择的运放的1/f噪声和宽带噪声的最大影响值,假设选用的运放有极小的1/f噪声可以忽略不计的话,可以经过以下公式计算,得出结果:Trcednc

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像TI的产品OPA320,由数据手册第8页中可知,宽带噪声密度可以满足要求:Trcednc

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图9:OPA320数据手册噪声数据Trcednc

运放的失真特性:对于ADC的驱动运放来说,我们通常需要选择输入输出轨对轨的运放,防止不必要的输出失真,但是通常正负轨对轨的运放价格相对的高,所以通常使用的是单电源输入、单极轨对轨的运放。Trcednc

关于德州仪器 (TI)

德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,创造一个更美好的世界。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用,这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。 欲了解更多信息,请访问公司网站http://www.ti.com.cn/Trcednc

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