放大器驅(qū)動SAR ADC電路的設(shè)計難點(diǎn)

SARADC的驅(qū)動電路設(shè)計存在多個難點(diǎn)，處理不當(dāng)將導(dǎo)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(fā)現(xiàn)工程師是一款儀表放大器直接驅(qū)動16bit1.5MSARADC，并且模擬電路由DCDC直接供電。查閱相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊，開玩笑道“SARADC驅(qū)動的三個坑全占了”，其中兩個問題此前已經(jīng)討論，1）開關(guān)電源紋波影響《開關(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)動放大器的建立時間不足《放大器建立時間參數(shù)仿真》。而第三點(diǎn)是SARADC輸入端缺少RC電路，關(guān)于這個RC電路在《放大器輸出阻抗在有源濾波器設(shè)計中的影響評估》中提過，它的作用并不是濾波?。?！本篇將詳細(xì)討論驅(qū)動RC的用途與設(shè)計方法，同時提供便捷化設(shè)計工具，并結(jié)合LTspice進(jìn)行仿真。

1、SARADC模型與驅(qū)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(guān)SW+,SW-連接到地（GND），獨(dú)立電容開關(guān)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(jìn)入轉(zhuǎn)換階段時，開關(guān)SW+、SW-斷開，獨(dú)立電容開關(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，按照二級制加權(quán)電壓變化實(shí)現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)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(dāng)開關(guān)S1閉合S2斷開，輸入信號Vin向電容CADC充電，電容電壓VADC到達(dá)輸入信號Vin電壓時采樣結(jié)束，進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段。

圖4.27SAR型ADC驅(qū)動電路

  VADC波形如圖4.28（a）。因此需要驅(qū)動電路使電容CADC盡快充電，驅(qū)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(diǎn)值為式4-19。

而反沖電壓為式4-20。

由RC網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的時間常數(shù)τ0.63為式4-21。

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，定義為采集時間tACQ，該指標(biāo)可以在ADC數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)手冊中找到。所選擇的RC參數(shù)在ADC驅(qū)動過程中，需要滿足采集時間、時間常數(shù)、建立時間的關(guān)系為式4-22。

根據(jù)式4-22確認(rèn)RC參數(shù)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(shù)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(shí)放大器的參數(shù)中，開環(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值變大會導(dǎo)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(shè)計SAR型ADC驅(qū)動的方法仍然是使用輔助工具和LTspice仿真軟件。

2、SRAADC驅(qū)動輔助工具使用

在ADI官網(wǎng)精密信號鏈設(shè)計工具界面，選擇“ADCDriver”進(jìn)入ADC驅(qū)動工具窗口。如圖4.29（a），“ADC”項(xiàng)中選擇ADC的型號，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）。

圖4.29SAR型ADC驅(qū)動電路配置

進(jìn)入“InputSetting”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(shù)，如圖4.30（a）。當(dāng)RC參數(shù)配置不良時，在“Niose&Distortion”窗口與“InputSetting”窗口會提供警告。工具還能夠生成LTspice電路，在“NextStep”窗口下載，如圖4.30（b）。

圖4.30SAR型ADC驅(qū)動電路性能

3、LTspice仿真SAR型ADC驅(qū)動

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建立時間應(yīng)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4.31LTC2378-16驅(qū)動電路

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建立時間為358.5ns小于采集時間tACQ460ns，與預(yù)期設(shè)計近似。所以讀者可以使用在線工具高效SARADC驅(qū)動放大器選型，以及根據(jù)具體放大器型號設(shè)計RC參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4.32LTC2378-16驅(qū)動電路仿真結(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控制信號經(jīng)過電阻R1、R2，向電容C1、C2充電。其中R1、R2、C1、C2可由規(guī)格書確認(rèn)。

圖4.33 LTC2378-16Spice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時序操作，設(shè)計開關(guān)控制的時鐘，實(shí)現(xiàn)SAR型ADC的模型。

圖4.33LTC2378-16輸入模型

綜上，SARADC驅(qū)動放大器的選型與RC電路設(shè)計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)也會在此栽跟頭，所以筆者介紹設(shè)計原理，更多的推薦是借助輔助工具設(shè)計，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，通過篇文章拋磚引玉，希望讀者能對LTspice建模有初步的認(rèn)識，這也是LTspice的重要應(yīng)用方向。