放大器驅動SAR ADC電路的設計難點

   SAR ADC的驅動電路設計存在多個難點，處理不當將導致ADC輸出碼值跳動范圍巨大。上周接觸到的一個案例就是這樣，與工程師檢視完原理圖，發現工程師是一款儀表放大器直接驅動16bit 1.5M SAR ADC，并且模擬電路由DCDC直接供電。查閱相應數據手冊，開玩笑道“SAR ADC驅動的三個坑全占了”，其中兩個問題此前已經討論，1）開關電源紋波影響《開關電源供電電路中放大器電源抑制比的影響與改善方法》；2）驅動放大器的建立時間不足《放大器建立時間參數仿真》。而第三點是SAR ADC輸入端缺少RC電路，關于這個RC電路在《放大器輸出阻抗在有源濾波器設計中的影響評估》中提過，它的作用并不是濾波！?。”酒獙⒃敿氂懻擈寗覴C的用途與設計方法，同時提供便捷化設計工具，并結合LTspice進行仿真。

    1 SAR ADC模型與驅動原理

    SAR型ADC輸入端電路如圖4.26(a)，在采集階段SAR型ADC的開關SW+,SW-連接到地（GND），獨立電容開關矩陣連接到輸入端,捕捉INx+與INx-輸入端模擬信號。采集完成進入轉換階段時，開關SW+、SW-斷開，獨立電容開關矩陣連接到地輸入，INx+與INx-輸入間差分電壓施加到比較器輸入端，導致比較器不平衡，按照二級制加權電壓變化實現數字轉化。

圖4.26SAR型ADC輸入電路及模型

    簡化的SAR型ADC模型如圖4.26（b），當開關S1閉合S2斷開，輸入信號Vin向電容CADC充電，電容電壓VADC到達輸入信號Vin電壓時采樣結束，進入轉換階段。

圖4.27SAR型ADC驅動電路

    VADC波形如圖4.28（a）。因此需要驅動電路使電容CADC盡快充電，驅動電路需要使用放大器和輸出RC組成，如圖4.27。在S1閉合時，CADC沒有電荷，VIN電壓瞬間向下反沖，如圖4.28（b）。在放大器與CFILT共同向CADC提供電荷，VADC電壓逐步上升到與輸入電壓VIN相同時，輸入采集階段完成。

圖4.28采集階段Vin與VADC電壓

    采集時間tACQ由RFILT、CFILT、CADC決定，完成充電的建立時間t為式4-17。

    CADC電壓值VACD由電容CFILT、CADC，以及加載兩個電容上的電荷量QFILT、QADC，為式4-18。

    由于初始采集時，QADC，QFILT為VIN與CFILT的乘積，反沖電壓最低點值為式4-19。

    而反沖電壓為式4-20。

    由RC網絡所產生的時間常數τ0.63為式4-21。

    其中，VREF為基準源參考電壓值，n為ADC位數。

    根據工程經驗，從VADC出現反沖恢復到距離VIN電壓小于0.5倍LSB電壓時，定義為采集時間tACQ，該指標可以在ADC數據數據手冊中找到。所選擇的RC參數在ADC驅動過程中，需要滿足采集時間、時間常數、建立時間的關系為式4-22。

    根據式4-22確認RC參數值，但上述推論沒有考慮如下問題：

    1)ADC采樣的帶寬為式4-23。

    所以RC參數的選擇往往要在帶寬和采集時間之間多次迭代計算。

    2)真實放大器的參數中，開環輸出阻抗的影響不可忽略，RFILT需要結合輸出阻抗。

    3)由于ADC內部采樣電容的非線性，當RFILT值變大會導致ADC采樣失真，該失真不能通過降低采樣率改善。

    因此，高效的設計SAR型ADC驅動的方法仍然是使用輔助工具和LTspice仿真軟件。

    2 SRA ADC驅動輔助工具使用

    在ADI 官網精密信號鏈設計工具界面，選擇“ADC Driver”進入ADC驅動工具窗口。如圖4.29（a），“ADC”項中選擇ADC的型號，輸入采樣率值和基準源電壓值。在“Driver”項中，選擇放大器型號和電路結構，輸入增益值、反饋電阻值、工作電壓值。在“input”項選擇輸入信號類型與輸入頻率值。在“Fliter”項，輸入RC參數值。在“Circuit”窗口查看電路結構圖。進入“Niose&Distortion”窗口，工具提供電路的THD等信息 ,如圖4.29（b）。

圖4.29SAR型ADC驅動電路配置

    進入“Input Setting”窗口，工具提供計算電路的反沖電壓值，ADC采集時間、RC電路帶寬參數，如圖4.30（a）。當RC參數配置不良時，在“Niose&Distortion”窗口與“Input Setting”窗口會提供警告。工具還能夠生成LTspice電路，在“Next Step”窗口下載，如圖4.30（b）。

圖4.30 SAR型ADC驅動電路性能

    3 LTspice仿真SAR型ADC驅動

    如圖4.29中ADC 使用LTC2378-16,輸出速率為1MSPS,基準源電壓為5V。放大器使用ADA4945-1，增益配置為1，電源軌電壓為-0.6V與5.6V，RFILT為20Ω，CFILT為3.3nf。得到反沖電壓為67mV，RC建立時間應該小于采集時間tACQ460ns。由圖4.30（d）下載仿真的電路如圖4.31。

圖4.31 LTC2378-16驅動電路

    瞬態分析結果如圖4.32，電壓從4.99979最低跌落到4.93705V,反沖電壓為62.74mV,RC建立時間為358.5ns小于采集時間tACQ460ns，與預期設計近似。所以讀者可以使用在線工具高效SAR ADC驅動放大器選型，以及根據具體放大器型號設計RC參數進行驗證。

圖4.32 LTC2378-16驅動電路仿真結果

    如圖4.31在電路中，雙擊進入LTC2378-16進入內部電路，如圖4.33。由S1、S3控制信號經過電阻R1、R2，向電容C1、C2充電。其中R1、R2、C1、C2可由規格書確認。

圖4.33 LTC2378-16 Spice模型電路

    如圖4.34中 LT2378輸入電阻為40Ω，輸入電容為45pF。根據ADC時序操作，設計開關控制的時鐘，實現SAR型ADC的模型。

圖4.33 LTC2378-16 輸入模型

    綜上，SAR ADC驅動放大器的選型與RC電路設計工作是具有極高挑戰的，不乏一些經驗豐富老司機也會在此栽跟頭，所以筆者介紹設計原理，更多的推薦是借助輔助工具設計，以及LTspice進行仿真。此外，之前的文章都是以實際器件模型仿真電路性能，通過篇文章拋磚引玉，希望讀者能對LTspice建模有初步的認識，這也是LTspice的重要應用方向。

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