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如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?

發(fā)布時(shí)間:2020-12-30 責任編輯:lina

【導讀】許多數據采集、工業(yè)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(mǎn)足這一要求。然而,我們必須確保 SAR 轉換器周?chē)耐獠侩娐芬材軇偃芜@一任務(wù),才能確保成功的轉換結果。
 
許多數據采集、工業(yè)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(mǎn)足這一要求。然而,我們必須確保 SAR 轉換器周?chē)耐獠侩娐芬材軇偃芜@一任務(wù),才能確保成功的轉換結果。對于 SAR 轉換器來(lái)說(shuō),需要特別注意的關(guān)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(huì )產(chǎn)生穩定性問(wèn)題和電容電荷"反沖",從而導致轉換不準確并延長(cháng)信號采集時(shí)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(dòng)。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(jiǎn)要討論實(shí)現穩定準確的 SAR ADC 轉換的相關(guān)問(wèn)題。然后,介紹一款合適的運放來(lái)驅動(dòng) SAR ADC,并說(shuō)明如何實(shí)現必要的輸入驅動(dòng)電路。我們將以 Analog Devices 的解決方案為例進(jìn)行說(shuō)明。
 
SAR ADC 輸入電路
 
SAR ADC 驅動(dòng)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(guò)"隔離"放大器的輸出級與 ADC 容性負載(CIN+ 和 CIN-)和 Cext 隔離來(lái)保持穩定。Cext 和 CREF 為 ADC 提供了一個(gè)近乎完美的輸入源,可以吸收來(lái)自 IN+、IN- 和 REF 輸入端子的開(kāi)關(guān)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。
 
如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?
 
以 Analog Device 的 AD7915 (16 位)和 AD4021(20 位)SAR ADC 為例觀(guān)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(gè)相同的二元加權電容陣列。這兩個(gè)電容陣列連接非反相和反相比較器輸入端(圖 2)。
 
如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?
 
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(tài)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?yōu)楦唠娖?,啟?dòng)轉換階段。
 
轉換階段開(kāi)始時(shí),先斷開(kāi) SW+ 和 SW-,將兩個(gè)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(huì )導致比較器變得不平衡。電荷再分配 DAC 在 GND 和 REF 之間有條不紊地將電容器陣列的每個(gè)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(cháng)來(lái)變化 (VREF/2N-1, VREF/2N-2...VREF/4, VREF/2)??刂七壿媽㈤_(kāi)關(guān)從 MSB 切換為 LSB,使得比較器回到平衡狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程結束后,ADC 返回采集階段,控制邏輯產(chǎn)生 ADC 輸出代碼。
 
輸入電荷注入、電路穩定性和驅動(dòng) AD7915 ADC
 
轉換過(guò)程的關(guān)鍵是獲取準確的輸入信號電壓。當驅動(dòng)放大器準確地向輸入電容器 CIN+ 和 CIN- 進(jìn)行充電時(shí),ADC 數據轉換過(guò)程就會(huì )順利進(jìn)行,同時(shí)保持穩定,直至 ADC 采集時(shí)間結束。對設計者來(lái)說(shuō),問(wèn)題在于 ADC 的輸入端引入了一個(gè)電容 (CIN+, CIN-) 以及需要驅動(dòng)放大器進(jìn)行管理的開(kāi)關(guān)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(kāi)環(huán)和系統閉環(huán)增益傳遞函數的大?。▓D 3)。
 
如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?
 
y 軸量化了放大器電路的開(kāi)環(huán)增益 (AOL) 和閉環(huán)增益 (ACL),其中放大器的 AOL 曲線(xiàn)從 130 分貝 (dB) 開(kāi)始,閉環(huán)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(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益頻率。
 
在圖 3 中,放大器在大約 220Hz (fO) 時(shí)的直流開(kāi)環(huán)增益以 -20dB/十倍頻程的速度從 130dB 下降。隨著(zhù)頻率的增加,這種衰減在持續并在大約 180 兆赫茲 (MHz) 時(shí)跨過(guò) 0dB。由于這條曲線(xiàn)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(gè)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(guò)創(chuàng )建系統零點(diǎn)和極點(diǎn)來(lái)修改放大器電路(圖 4)。該系統包括一個(gè) 16 位、每秒 1 兆次 (MSPS) 的 AD7915 差分 PulSAR ADC 和一個(gè) 180 MHz、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。
 
如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?
 
如圖 4 所示,由于電路在初始采集時(shí) ADC 的電容負載和 ADC 的開(kāi)關(guān)電荷注入,有可能發(fā)生振蕩。Rext/Cext 放大器輸出元件所產(chǎn)生的額外極點(diǎn)和零點(diǎn)保證了系統穩定,所以開(kāi)環(huán)和閉環(huán)增益曲線(xiàn)交點(diǎn)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(gè)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(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)時(shí),設計人員需要考慮放大器的開(kāi)環(huán)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(guò)引入一個(gè)極點(diǎn)(fP,公式 1)和一個(gè)零點(diǎn)(fZ,公式 2)來(lái)修正開(kāi)環(huán)響應曲線(xiàn)。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。
 
如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?
 
fP 和 fZ 的計算結果是:
fP1 = 842 kHz
fZ1 = 2.95 MHz
其中:RO = 50 W
Rext = 20 W
Cext = 2.7 納法拉 (nF)
fP2 = 22.7 MHz
fZ2 = 79.5 MHz
其中:RO = 50 W
Rext = 20 W
Cext = 0.1 nF
 
上述 fP1 和 fZ1 的值使 AD7915 和 ADA4807-1 成為一個(gè)穩定的系統。
 
驅動(dòng) Easy Drive AD4021 SAR ADC
 
AD7915 的替代產(chǎn)品是 AD4021 20 位 1 MSPS Easy Drive SAR 轉換器。AD4021 器件系列將輸入反沖和輸入電流顯著(zhù)降低至 0.5 微安 (μA)/MSPS。Easy Drive 器件的特點(diǎn)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(kāi)關(guān)式電容 SAR 輸入非線(xiàn)性電荷反沖的電路。因為減少了反沖并延長(cháng)了采集階段,因此可以使用較低帶寬、較低功率的驅動(dòng)放大器(圖 5)。
 
如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?
 
減少反沖并延長(cháng)采集時(shí)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(lèi)似電路圖。但對放大器的要求降低了,Rext/Cext(R 和 C)的值更?。▓D 6)。
 
如何處理 SAR ADC 輸入驅動(dòng)難題?
 
圖 6 中,基于 SAR 的 AD4021 也采用了電荷再分配采樣 DAC。ADC 有一個(gè)板載轉換時(shí)鐘和串行時(shí)鐘。因此,轉換過(guò)程不需要同步時(shí)鐘 (SCK) 輸入。這種時(shí)鐘配置可以延長(cháng)采集時(shí)間,通過(guò)為輸入信號提供更長(cháng)的時(shí)間使其建立至最終值,從而提高精度。
 
AD7915 和 AD4021 的驅動(dòng)放大器主要考慮的是噪聲,因為放大器/Rext/Cext 組合必須從滿(mǎn)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(dòng)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 31.5 mVrms,這就要求放大器/Rext/Cext 組合的噪聲小于10.5 mVrms。
 
Analog Devices 的精密 ADC 驅動(dòng)器工具可幫助設計人員快速計算出正確的 Rext 和 Cext 值。通過(guò)選定的驅動(dòng)器和 ADC,該工具可以模擬電路的建立時(shí)間、噪聲和失真行為。
 
結語(yǔ)
 
SAR ADC 將繼續在超高速數據采集、工業(yè)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(lèi)器件的外部輸入電路——驅動(dòng)放大器和輸入濾波器,以適應潛在的開(kāi)關(guān)電荷注入和放大器穩定性問(wèn)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(lài)運放驅動(dòng)器,如本示例中的 ADA4807-1。如圖所示,這類(lèi)器件在適當的輸出電阻和電容值的支持下形成一個(gè)堅實(shí)的基礎,然后在此基礎上建立一個(gè)高精度、穩健、高分辨率、16 位或 20 位 SAR 轉換器系統。
 
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