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设计逐次逼近型模数转换器的驱动电路需要注意的三个方面

2021-1-16 07:00:00  2092 模数转换器 驱动电路 电路设计
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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(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。


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(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。


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,CSH 对地放电为例。当开关 S1 关闭时,开关 S2 打开时,电容 CIN 与 CSH 共享电荷可得出等式



由于电容 CSH 对地放电,则 QSH=0,且 QIN=VIN*CIN,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 VIN 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 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:
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。

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 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:

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 VIN 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:

用于信号类型的转换,例如单端信号转化为差分信号

以对信号进行调理,例如将信号放大 / 缩小等

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

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,Vref=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。

王栋春 2021-1-16 21:54:11
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