如何设计逐次逼近型模数转换器的驱动电路

作者：Jenson Fang

逐次逼近型（SAR）ADC是在在工业，汽车，通讯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。

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的前端驱动所需要的注意的一些要素。

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。

图1.  SAR ADC驱动电路基本架构

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：

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（Q_{frm_opa}）和RC滤波电容（Q_{frm_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（t_acq）内将C_sh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C_sh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。

图2.  SAR ADC采样保持阶段电流方向

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

我们设计RC网络的目标就是在有限的时间内采样时间（t_acq）内将C_sh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V_filt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Q_{frm_opa}与Q_{frm_cflit}不能在采样时间（t_acq）内将电荷转移至C_sh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。

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

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？

如下图所示为SAR ADC的简化原理图，以最坏的情况，C_SH对地放电为例。当开关S1关闭时,开关S2打开时，电容C_IN与C_SH共享电荷可得出等式，由于电容C_SH对地放电，则Q_SH=0，且Q_IN=V_IN*C_IN，则可以得出

图4.  SAR ADC驱动电路基本架构

则可以推算出，如图所示：

图5.  SAR ADC驱动V_IN电压

在ADC的采集阶段，ADC建立至1/2LSB所需要的RC时间常数, 其中t_acq为采集时间N_tc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：

由此，我们可以求出RC的时间常数，根据，可以得出RC的值以及带宽。

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

图6.  ADS8860数据手册数据

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：

根据ADS8860的C_SH=59pF，一般C_IN选择C_SH的20倍以上，这里取C_IN=5.9nF则可以计算出V_kick电压：

接下来计算建立到1/2LSB的时间常数：

则可以得出：

因此选择R=8.6ohm，带宽为3.13MHz

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。

                                               图7.  不合适的RC与加入计算后RC的V_IN电压波形对比

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。

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：

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。

图8.  无运放驱动SAR ADC电路简图

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。

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。

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，V_ref=5V，那么该系统中的总噪声应该小于：

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：

像Ti的产品OPA320，由数据手册第8页中可得，宽带噪声密度为可以满足要求

图9.  OPA320数据手册噪声数据

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。

参考文献：

TI Precision Labs ADCs video :

https://training.ti.com/ti-precision-labs-adcs

Analog Engineer's Circuit: Data Converters:

https://www.ti.com/lit/an/sbaa375/sbaa375.pdf?ts=1602684911109

https://www.ti.com/lit/an/sbaa256a/sbaa256a.pdf?ts=1602684851397

Design Challenges and Improvement Techniques for SAR ADC Driver Circuit ：

http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slaa571a/slaa571a.pdf