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      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

      發(fā)布時(shí)間:2021-02-19 責(zé)任編輯:lina

      【導(dǎo)讀】SAR ADC的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)存在多個(gè)難點(diǎn),處理不當(dāng)將導(dǎo)致ADC輸出碼值跳動(dòng)范圍巨大。上周接觸到的一個(gè)案例就是這樣,與工程師檢視完原理圖,發(fā)現(xiàn)工程師是一款儀表放大器直接驅(qū)動(dòng)16bit 1.5M SAR ADC,并且模擬電路由DCDC直接供電。
        
      SAR ADC的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)存在多個(gè)難點(diǎn),處理不當(dāng)將導(dǎo)致ADC輸出碼值跳動(dòng)范圍巨大。上周接觸到的一個(gè)案例就是這樣,與工程師檢視完原理圖,發(fā)現(xiàn)工程師是一款儀表放大器直接驅(qū)動(dòng)16bit 1.5M SAR ADC,并且模擬電路由DCDC直接供電。查閱相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊(cè),開(kāi)玩笑道“SAR ADC驅(qū)動(dòng)的三個(gè)坑全占了”,其中兩個(gè)問(wèn)題此前已經(jīng)討論,1)開(kāi)關(guān)電源紋波影響《開(kāi)關(guān)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(qū)動(dòng)放大器的建立時(shí)間不足《放大器建立時(shí)間參數(shù)仿真》。而第三點(diǎn)是SAR ADC輸入端缺少RC電路,關(guān)于這個(gè)RC電路在《放大器輸出阻抗在有源濾波器設(shè)計(jì)中的影響評(píng)估》中提過(guò),它的作用并不是濾波!!!本篇將詳細(xì)討論驅(qū)動(dòng)RC的用途與設(shè)計(jì)方法,同時(shí)提供便捷化設(shè)計(jì)工具,并結(jié)合LTspice進(jìn)行仿真。
       
      1. SAR ADC模型與驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)SW+,SW-連接到地(GND),獨(dú)立電容開(kāi)關(guān)矩陣連接到輸入端,捕捉INx+與INx-輸入端模擬信號(hào)。采集完成進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段時(shí),開(kāi)關(guān)SW+、SW-斷開(kāi),獨(dú)立電容開(kāi)關(guān)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(dǎo)致比較器不平衡,按照二級(jí)制加權(quán)電壓變化實(shí)現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)化。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.26SAR型ADC輸入電路及模型
       
      簡(jiǎn)化的SAR型ADC模型如圖4.26(b),當(dāng)開(kāi)關(guān)S1閉合S2斷開(kāi),輸入信號(hào)Vin向電容CADC充電,電容電壓VADC到達(dá)輸入信號(hào)Vin電壓時(shí)采樣結(jié)束,進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.27SAR型ADC驅(qū)動(dòng)電路
       
      VADC波形如圖4.28(a)。因此需要驅(qū)動(dòng)電路使電容CADC盡快充電,驅(qū)動(dòng)電路需要使用放大器和輸出RC組成,如圖4.27。在S1閉合時(shí),CADC沒(méi)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(shí),輸入采集階段完成。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.28采集階段Vin與VADC電壓
       
      采集時(shí)間tACQ由RFILT、CFILT、CADC決定,完成充電的建立時(shí)間t為式4-17。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
       
      CADC電壓值VACD由電容CFILT、CADC,以及加載兩個(gè)電容上的電荷量QFILT、QADC,為式4-18。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
       
      由于初始采集時(shí),QADC,QFILT為VIN與CFILT的乘積,反沖電壓最低點(diǎn)值為式4-19。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
       
      而反沖電壓為式4-20。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
       
      由RC網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的時(shí)間常數(shù)τ0.63為式4-21。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
       
      其中,VREF為基準(zhǔn)源參考電壓值,n為ADC位數(shù)。
       
      根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),從VADC出現(xiàn)反沖恢復(fù)到距離VIN電壓小于0.5倍LSB電壓時(shí),定義為采集時(shí)間tACQ,該指標(biāo)可以在ADC數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。所選擇的RC參數(shù)在ADC驅(qū)動(dòng)過(guò)程中,需要滿足采集時(shí)間、時(shí)間常數(shù)、建立時(shí)間的關(guān)系為式4-22。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
       
      根據(jù)式4-22確認(rèn)RC參數(shù)值,但上述推論沒(méi)有考慮如下問(wèn)題:
      1)ADC采樣的帶寬為式4-23。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
       
      所以RC參數(shù)的選擇往往要在帶寬和采集時(shí)間之間多次迭代計(jì)算。
      2)真實(shí)放大器的參數(shù)中,開(kāi)環(huán)輸出阻抗的影響不可忽略,RFILT需要結(jié)合輸出阻抗。
      3)由于ADC內(nèi)部采樣電容的非線性,當(dāng)RFILT值變大會(huì)導(dǎo)致ADC采樣失真,該失真不能通過(guò)降低采樣率改善。
       
      因此,高效的設(shè)計(jì)SAR型ADC驅(qū)動(dòng)的方法仍然是使用輔助工具和LTspice仿真軟件。
       
      2. SRA ADC驅(qū)動(dòng)輔助工具使用
      在ADI 官網(wǎng)精密信號(hào)鏈設(shè)計(jì)工具界面,選擇“ADC Driver”進(jìn)入ADC驅(qū)動(dòng)工具窗口。如圖4.29(a),“ADC”項(xiàng)中選擇ADC的型號(hào),輸入采樣率值和基準(zhǔn)源電壓值。在“Driver”項(xiàng)中,選擇放大器型號(hào)和電路結(jié)構(gòu),輸入增益值、反饋電阻值、工作電壓值。在“input”項(xiàng)選擇輸入信號(hào)類型與輸入頻率值。在“Fliter”項(xiàng),輸入RC參數(shù)值。在“Circuit”窗口查看電路結(jié)構(gòu)圖。進(jìn)入“Niose&Distortion”窗口,工具提供電路的THD等信息 ,如圖4.29(b)。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.29SAR型ADC驅(qū)動(dòng)電路配置
       
      進(jìn)入“Input Setting”窗口,工具提供計(jì)算電路的反沖電壓值,ADC采集時(shí)間、RC電路帶寬參數(shù),如圖4.30(a)。當(dāng)RC參數(shù)配置不良時(shí),在“Niose&Distortion”窗口與“Input Setting”窗口會(huì)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)。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.30 SAR型ADC驅(qū)動(dòng)電路性能
       
      3. LTspice仿真SAR型ADC驅(qū)動(dòng)
      如圖4.29中ADC 使用LTC2378-16,輸出速率為1MSPS,基準(zhǔn)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(shí)間應(yīng)該小于采集時(shí)間tACQ460ns。由圖4.30(d)下載仿真的電路如圖4.31。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.31 LTC2378-16驅(qū)動(dòng)電路
       
      瞬態(tài)分析結(jié)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(shí)間為358.5ns小于采集時(shí)間tACQ460ns,與預(yù)期設(shè)計(jì)近似。所以讀者可以使用在線工具高效SAR ADC驅(qū)動(dòng)放大器選型,以及根據(jù)具體放大器型號(hào)設(shè)計(jì)RC參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.32 LTC2378-16驅(qū)動(dòng)電路仿真結(jié)果
       
      如圖4.31在電路中,雙擊進(jìn)入LTC2378-16進(jìn)入內(nèi)部電路,如圖4.33。由S1、S3控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R1、R2,向電容C1、C2充電。其中R1、R2、C1、C2可由規(guī)格書(shū)確認(rèn)。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      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(jù)ADC時(shí)序操作,設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)控制的時(shí)鐘,實(shí)現(xiàn)SAR型ADC的模型。
       
      放大器驅(qū)動(dòng)SAR ADC電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
      圖4.33 LTC2378-16 輸入模型
       
      綜上,SAR ADC驅(qū)動(dòng)放大器的選型與RC電路設(shè)計(jì)工作是具有極高挑戰(zhàn)的,不乏一些經(jīng)驗(yàn)豐富老司機(jī)也會(huì)在此栽跟頭,所以筆者介紹設(shè)計(jì)原理,更多的推薦是借助輔助工具設(shè)計(jì),以及LTspice進(jìn)行仿真。此外,之前的文章都是以實(shí)際器件模型仿真電路性能,通過(guò)篇文章拋磚引玉,希望讀者能對(duì)LTspice建模有初步的認(rèn)識(shí),這也是LTspice的重要應(yīng)用方向。
      (作者:鄭薈民,轉(zhuǎn)載自:電子發(fā)燒友)
       
       
      免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
       
       
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