高性能全集成S A R型 ADC

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高性能全集成S A R型 ADC [复制链接]

作者： TI 工程师 Sunny Qin

由于拥有较高的分辨率和采样率，SAR型ADC一直被众多工业和汽车客户所亲睐。但是SAR型ADC由于其特殊的特性，所以对外围电路也相应的提出很多“特殊需求”。

首先就是抗混叠电路的需求。例如当电路中的SAR型ADC采样率为fs时，根据香浓采样定律，输入信号的频率需要小于fs/2，频率超过fs/2的信号将会通过混叠效应“混入”有用信号频带中，并且无法区分。因此，为了避免混叠的问题，绝大部分SAR型ADC电路需要在前端设计专用的多阶有源滤波器，滤掉频率超过fs/2的信号。（注：Σ-Δ型ADC理论上也需要抗混叠滤波器，但是由于其过采样特性及内部数字滤波器的带外衰减特性，其对抗混叠滤波器的设计要求要低很多，多数情况下一阶RC电路能够满足抗混叠需求。）

其次是模拟输入与基准输入的驱动问题。不同于大学课本上讲到的，现在市面上流行的大部分SAR型ADC不再是通过分压电阻网络来实现电压的逐次逼近，由于CMOS工艺的普及，取而代之的是通过内部电容网络实现电荷的逐次逼近，这样无论是ADC的信号输入端还是基准输入端，都是通过一个电容采样，这个电容一般为几个皮法到几十个皮法。这样带来的两个新的问题就是：1，我们能否在采样的短暂时间内将这个电容完全充满；2，这个电容在采样瞬间是否会把我们信号瞬态拉低。（具体的SAR ADC驱动设计请参考SLAA571A：Design Challenges and Improvement Techniques for SAR ADC Driver Circuit）。糟糕的驱动设计会导致无论是输入信号，还是基准信号都会被瞬态拉低，并且造成采样误差，如下图所示：

所以标准的SAR型ADC驱动电路需要基准及驱动电路，抗混叠滤波器，输入驱动电路等三个部分，其电路结构如下：

除了上述的两个关键问题以外，SAR型ADC采样电路往往还需要配备电压基准，模拟开关，输入放大及直流偏置电路（交流信号无法直接被单电源ADC采样）等，复杂的系统设计往往会另工程师们望而却步。

针对于这一问题，现TI开发出一系列全集成式SAR型ADC, 其集成了高阻抗输入可编程放大器，抗混叠滤波器，ADC驱动电路，模拟开关以及高精密电压基准等，并且能在单电源供电环境下提供±10V/ ±5V/ ±2.5V等可编程输入范围。高集成度的设计使得这种ADC更像一块电压采集器，大大简化采样电路的设计，同时TI提供极具竞争力的价格，以便众多工业客户选用。其结构框图如下：

                                                    非同步型全集成ADC                                                                                  同步型全集成ADC

这种全集成型的ADC大大简化了电路设计，同时优化了成本。针对于这一类全集成型ADC，TI提供多种型号，涵盖不同分辨率，不同通道，同步/非同步等多种器件。下面表格中罗列了全系列高集成度SAR型ADC，以及相应的资料及参考设计TI-Design，欢迎各位工程师点击查看。

产品类型	料号	说明	小批量1K参考价格	TI-Design
单通道	ADS8661/5	可编程双极输入 12/14/16/18 位 1MSPS 单电源	$2.00 / $ 1.50	TIDA-00764 TIDA-01333 TIDA-00106
	ADS8671/5		$ 2.85 / $ 2.15
	ADS8681/5/9		$ 4.08 / $ 3.10 / $ 2.40
	ADS8691/5/9		$ 5.30 / $ 4.60 / $ 3.20
非同步	ADS8664/8	双极输入 12位250kSPS    4 /8 通道 单电源	$ 3.22 / $ 4.57	TIDA-01214 TIDEP0033 TIDA-00493 TIDA-00170 TIDA-00164 TIDA-00307 TIPD167 TIPD166 TIDA-00310 TIPD167
	ADS8674/8	双极输入 14/16/18 位 500kSPS 4 /8 通道 单电源	$ 4.86 / $ 6.86
	ADS8684/8		$ 5.90 / $ 10.35
	ADS8684A/8A		$ 7.32 / $ 10.45
	ADS8694/8		$ 9.55 / $ 13.30
同步	ADS8578S	双极性输入 14 位200kSPS        8 通道单电源	$ 10.50	TIDA-00834
	ADS8584S/6S/8S	双极性输入16 位 330/250/200kSPS 4 /6/ 8 通道 单电源	$ 8.00/$ 10.00/$ 13.00

注：TI绝大部分器件都会有参考设计，我们叫做TI-Design，每一份TI-Design中都包括参考手册， 原理图，PCB，软件代码，测试结果，以及BOM表，用户可以在TI官网免费下载。

电容器

凑个热闹，介绍一下，积分型ADC。

单斜积分ADC

无论如何，单斜积分ADC为所有积分型ADC的最早版本。单斜积分ADC是Q=CV=it的最直接的诠释。将被测电压Vin通过积分电阻R等比变换为电流i，并对电容C充电，直至电容两端电压达到Vref，充电时间为tc，则i=-CVref/tc，或者Vin反比于tc。（务必注意，对于反向积分器，负的Vin产生负的积分电流i，并在积分器输出端呈现上斜积分。）

        单斜积分ADC存在两个不甚理想的特点，即：
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1． 积分时间tc与Vin成反比

        如果Vin=0，t为无穷大，在实际操作中很难实现。这一问题可通过在i中增加电流偏移量ioffset的方式解决，ioffset决定最长积分时间。

        由于Vin与tc的反比关系，更大的Vin对应更短的tc，即计数时钟频率一定时更低的分辨率，从而与更大的Vin需要更高分辨率相矛盾。因此单斜积分ADC的分辨率需要依靠多次积分周期测量tc的总和的方法提高，从而限制测量速度。

2． 积分时间tc与Vin相关

        这本不是问题，如果世界是清净的。但电力系统最初的一次争端，即直流供电系统和交流供电系统的竞争的结果决定世界上遍布50Hz或60Hz的工频电磁场干扰，并且干扰一切信号，无论大小和频率。作为对称周期波形，即正负周期面积相同，理论上工频干扰可以简单通过整周期PLC积分（对面积求和）完全去除。

        面对工频干扰，单斜积分只具有积分性能，而无整周期特性。原因在于积分时间随Vin变化，除去可令tc为NPLC（工频周期的整数倍）的一系列特定的Vin值外，大多数Vin对应的tc均不具有NPLC特性，因此对于工频干扰缺乏抑制能力。

        这并非单斜积分ADC的固有问题，工频干扰本不存在。但却是大问题，工频干扰已经存在，并且不可避免。
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        对于实际电路，单斜积分ADC还具有另一项问题，根据i=CVref/tc，与i成比例的Vin不仅与tc成反比，而且与C成正比。如果C变化，ADC的转换结果会成比例变化，从而造成单斜积分ADC对元件的强烈依赖性。

        除聚四氟乙烯介质外，几乎没有电容介质的介电常数具有理想的温度系数，即使使用聚四氟乙烯材料，其温漂仍很明显。实际的单斜积分ADC可通过测量Vref将电容的变化去除，但需要更长的测量时间，从而限制测量速度。

        实际上，电容的介质损耗才是更为棘手的因素，而且是所有积分型ADC无法回避的问题。对于电容而言，容量越小，电容参数越灵活，越易于控制介质损耗。但为获得足够的分辨率，尤其考虑积分时间t与Vin的反比关系，单斜积分ADC必须使用容量巨大的电容，因此电容的介质损耗在单斜积分ADC中尤其显著。

明天再介绍双斜积分ADC