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模擬基礎知識：處理 SAR ADC 輸入驅動難題

由電子發燒友網發表于舞蹈2021-07-07

簡介對設計者來說，問題在於 ADC 的輸入端引入了一個電容（CIN+， CIN-）以及需要驅動放大器進行管理的開關噪聲或“反衝”電荷注入

開環極點和零點什麼時候能消除

許多資料採集、工業控制和儀表應用都需要超高速模數轉換器（ADC），而逐次逼近暫存器（SAR）轉換器則能完全滿足這一要求。然而，我們必須確保 SAR 轉換器周圍的外部電路也能勝任這一任務，才能確保成功的轉換結果。對於 SAR 轉換器來說，需要特別注意的關鍵端子是其模擬訊號輸入端——如果不加以重視，這些輸入引腳會產生穩定性問題和電容電荷“反衝”，從而導致轉換不準確並延長訊號採集時間。

在 SAR 轉換器應用中，精確控制輸入訊號的解決方案在於運算放大器（運放）的驅動。如搭配適當的輸出電阻和電容值，這些器件就是高解析度、16 位和 20 位 SAR 轉換器系統的高精度穩健解決方案的基礎。

本文將簡要討論實現穩定準確的 SAR ADC 轉換的相關問題。然後，介紹一款合適的運放來驅動 SAR ADC，並說明如何實現必要的輸入驅動電路。我們將以 Analog Devices 的解決方案為例進行說明。

SAR ADC 輸入電路

SAR ADC 驅動電路具有將 ADC 與其訊號源隔離的運算放大器（A1 和 A2）（圖1）。在該電路中，Rext 透過“隔離”放大器的輸出級與 ADC 容性負載（CIN+ 和 CIN-）和 Cext 隔離來保持穩定。Cext 和 CREF 為 ADC 提供了一個近乎完美的輸入源，可以吸收來自 IN+、IN- 和 REF 輸入端子的開關電荷注入。輸入端子（IN+， IN-）在轉換器的採集期間跟蹤輸入訊號（VSIG+， VSIG-）的電壓，為 ADC 輸入取樣電容 CIN+ 和 CIN- 充電。

以 Analog Device 的 AD7915 （16 位）和 AD4021（20 位）SAR ADC 為例觀察 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 有兩個相同的二元加權電容陣列。這兩個電容陣列連線非反相和反相比較器輸入端（圖 2）。

在採集階段，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。在這種狀態下，電容陣列成為取樣電容，採集 IN+ 和 IN- 模擬訊號。採集階段結束後，控制邏輯（右側）的 CNV 輸入變為高電平，啟動轉換階段。

轉換階段開始時，先斷開 SW+ 和 SW-，將兩個電容陣列切換到 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來變化（VREF/2N-1， VREF/2N-2。。。VREF/4， VREF/2）。控制邏輯將開關從 MSB 切換為 LSB，使得比較器回到平衡狀態。這個過程結束後，ADC 返回採集階段，控制邏輯產生 ADC 輸出程式碼。

輸入電荷注入、電路穩定性和驅動 AD7915 ADC

轉換過程的關鍵是獲取準確的輸入訊號電壓。當驅動放大器準確地向輸入電容器 CIN+ 和 CIN- 進行充電時，ADC 資料轉換過程就會順利進行，同時保持穩定，直至 ADC 採集時間結束。對設計者來說，問題在於 ADC 的輸入端引入了一個電容（CIN+， CIN-）以及需要驅動放大器進行管理的開關噪聲或“反衝”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環和系統閉環增益傳遞函式的大小（圖 3）。

y 軸量化了放大器電路的開環增益（AOL）和閉環增益（ACL），其中放大器的 AOL 曲線從 130 分貝（dB）開始，閉環增益 ACL 等於 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）的開環和閉環增益頻率。

在圖 3 中，放大器在大約 220Hz （fO）時的直流開環增益以 -20dB/十倍頻程的速度從 130dB 下降。隨著頻率的增加，這種衰減在持續並在大約 180 兆赫茲（MHz）時跨過 0dB。由於這條曲線表示單極系統，所以分頻器頻率 fU 等於單位增益穩定放大器的增益頻寬乘積（GBWP）。該圖代表一個穩定的系統，因為 AOL 和 ACL 的截止率是 20dB/十倍頻程。

加入 Rext 和 Cext 以及 SAR ADC 後，透過建立系統零點和極點來修改放大器電路（圖 4）。該系統包括一個 16 位、每秒 1 兆次（MSPS）的 AD7915 差分 PulSAR ADC 和一個 180 MHz、軌至軌輸入/輸出 ADA4807-1 放大器，該器件由 Analog Devices 提供。由於存在 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。

如圖 4 所示，由於電路在初始採集時 ADC 的電容負載和 ADC 的開關電荷注入，有可能發生振盪。Rext/Cext 放大器輸出元件所產生的額外極點和零點保證了系統穩定，所以開環和閉環增益曲線交點大於 20dB/十倍頻程，使相位裕度小於 45°。這種配置與 fP2 和 fZ2 一起構成一個不穩定電路。

為避免不穩定，在評估電路中帶有 Rext 和 Cext 的放大器開環增益曲線時，設計人員需要考慮放大器的開環輸出電阻 RO 的影響。阻值為 50 歐姆（W）的RO 與 Rext、Cext 的組合透過引入一個極點（fP，公式 1）和一個零點（fZ，公式 2）來修正開環響應曲線。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。

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 成為一個穩定的系統。

驅動 Easy Drive AD4021 SAR ADC

AD7915 的替代產品是 AD4021 20 位 1 MSPS Easy Drive SAR 轉換器。AD4021 器件系列將輸入反衝和輸入電流顯著降低至 0。5 微安（μA）/MSPS。Easy Drive 器件的特點是能降低功耗和訊號鏈複雜性。

AD4021 的模擬輸入端採用了能夠降低典型開關式電容 SAR 輸入非線性電荷反衝的電路。因為減少了反衝並延長了採集階段，因此可以使用較低頻寬、較低功率的驅動放大器（圖 5）。

減少反衝並延長採集時間，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 的推薦連線圖似乎具有類似電路圖。但對放大器的要求降低了，Rext/Cext（R 和 C）的值更小（圖 6）。

圖 6 中，基於 SAR 的 AD4021 也採用了電荷再分配取樣 DAC。ADC 有一個板載轉換時鐘和序列時鐘。因此，轉換過程不需要同步時鐘（SCK）輸入。這種時鐘配置可以延長採集時間，透過為輸入訊號提供更長的時間使其建立至最終值，從而提高精度。

AD7915 和 AD4021 的驅動放大器主要考慮的是噪聲，因為放大器/Rext/Cext 組合必須從滿量程階躍到 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）效能，驅動放大器的噪聲必須小於 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 組合的噪聲小於 20mVrms。AD4021 的噪聲為 31。5 mVrms，這就要求放大器/Rext/Cext 組合的噪聲小於10。5 mVrms。

Analog Devices 的精密 ADC 驅動器工具可幫助設計人員快速計算出正確的 Rext 和 Cext 值。透過選定的驅動器和 ADC，該工具可以類比電路的建立時間、噪聲和失真行為。

結語

SAR ADC 將繼續在超高速資料採集、工業控制和儀器儀表應用中佔據主導地位。然而，我們需要考慮這類器件的外部輸入電路——驅動放大器和輸入濾波器，以適應潛在的開關電荷注入和放大器穩定性問題。

大多數 SAR 轉換器（如 AD7916 和 AD4021）精確控制輸入訊號的解決方案都依賴運放驅動器，如本示例中的 ADA4807-1。如圖所示，這類器件在適當的輸出電阻和電容值的支援下形成一個堅實的基礎，然後在此基礎上建立一個高精度、穩健、高解析度、16 位或 20 位 SAR 轉換器系統。