如何设计逐次逼近型模数转换器的驱动电路
时间:2021-12-30 14:53来源:
摘要: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。
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:
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:
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:
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,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。
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/。
商标
所有其它商标和注册商标均归其各自所有者专属。
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
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
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
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
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时间常数在ADC的采集阶段,ADC建立至1/2LSB所需要的RC时间常数
图6. ADS8860数据手册数据
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
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
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
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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/。
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