一旦选定一款精密SAR ADC，系统设计师就必须确定获得最佳结果所需的支持电路。需要考虑的三个主要方面是：模拟输入信号与ADC接口的前端、基准电压源和数字接口。本文将重点介绍前端设计的电路要求和权衡因素。
逐次逼近型(SAR)ADC提供高分辨率、出色的精度和低功耗特性。一旦选定一款精密SAR ADC，系统设计师就必须确定获得最佳结果所需的支持电路。需要考虑的三个主要方面是：模拟输入信号与ADC接口的前端、基准电压源和数字接口。本文将重点介绍前端设计的电路要求和权衡因素。
前端包括两个部分：驱动放大器和RC滤波器。放大器调节输入信号，同时充当信号源与ADC输入端之间的低阻抗缓冲器。RC滤波器限制到达ADC输入端的带外噪声，帮助衰减ADC输入端中开关电容的反冲影响。
为SAR ADC选择合适的放大器和RC滤波器可能很困难，特别是当应用不同于ADC数据手册的常规用途时。根据各种影响放大器和RC选择的应用因素，我们提供了设计指南，可实现最佳解决方案。主要考虑因素包括：输入频率、吞吐速率和输入复用。
选择合适的RC滤波器
要选择合适的RC滤波器，必须计算单通道或多路复用应用的RC带宽，然后选择R和C的值。
图1显示了一个典型的放大器、单极点RC滤波器和ADC。ADC输入构成驱动电路的开关电容负载。其10MHz输入带宽意味着需要在宽带宽内保证低噪声以获得良好的信噪比(SNR)。RC网络限制输入信号的带宽，并降低放大器和上游电路馈入ADC的噪声量。不过，带宽限制过多会延长建立时间并使输入信号失真。
如果ADC的转换速率大大超出最大输入频率，则转换期间输入电压的最大变化量为：
这是容性DAC切换回采集模式时出现的最大电压阶跃。然后，DAC电容与外部电容的并联组合会衰减此阶跃。因此，外部电容必须相对较大，达到几nF。此分析假设输入开关导通电阻的影响可忽略不计。现在需要建立的阶跃大小为：
接下来计算在ADC采集阶段，ADC输入建立至1/2LSB的时间常数。假设阶跃输入以指数方式建立，则所需RC时间常数τ为：
其中，tACQ为采集时间，NTC为建立所需的时间常数数目。所需的时间常数数目可以通过计算阶跃大小VSTEP，与建立误差（本例为1/2LSB）之比的自然对数来获得：
因此，
将上式代入前面的公式可得：
然后，外部电容的电荷会衰减此阶跃。使用27pF的DAC电容并假设外部电容为2.7nF，则衰减系数约为101。将这些值代入VSTEP计算公式：
接下来计算建立至1/2LSB（16位、5V基准电压）的时间常数数目：
采集时间为：
计算τ：
因此，带宽为3.11MHz，REXT为18.9Ω.
其中，en=噪声频谱密度(V/√Hz),N=放大器电路噪声增益，BWRC=R带宽(Hz)。
然后，通常通过下式计算低频1/f噪声；它通常指定为峰峰值，需要转换为均方根值。
其中，vn,1/f,pk=1/f峰峰值噪声电压，N=放大器电路噪声增益。
总噪声为以上两个噪声的和方根：
为将驱动器噪声对总SNR的影响降至最低，此总噪声应为ADC噪声的1/10左右。根据目标系统的SNR要求，可能还允许更高的噪声。例如，如果ADC的SNR为91dB，VREF=5V，则总噪声应小于或等于
由此值很容易算出1/f噪声和宽带噪声谱密度的最大允许值。假设拟用的放大器具有可忽略不计的1/f噪声，以单位增益工作，并采用RC带宽为上例计算值(3.11MHz)的滤波器，那么
因此，该放大器的宽带噪声谱密度必须小于或等于2.26nV/√Hz。ADA4841-1的宽带噪声谱密度为2.1nV/√Hz，符合这一要求。
《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载
{pagination}
放大器需要考虑的另一个重要特性是特定输入频率时的失真。通常，为获得最佳性能，16位ADC需要大约100dB的总谐波失真(THD)，18位ADC需要大约110dB。图8显示对于2Vp-p输入信号，ADA4841-1的典型失真与频率的关系图。
图中显示的不是总谐波失真，而是一般最为重要的二次和三次谐波成分。ADA4841-1的噪声非常小，失真特性优异，足以驱动18位ADC到大约30kHz。当输入频率接近100kHz或更高时，失真性能开始下降。为在高频时实现低失真，需要使用功耗更高、带宽更宽的放大器。较大的信号也会降低性能。对于0V至5V的ADC输入，失真性能信号范围将提高到5Vp-p。从图8所示的失真图可看出，这将产生不同的性能，因此放大器可能需要测试，以确保它满足要求。图9比较了多个输出电压水平的失真性能。
图1.典型放大器、RC滤波器和ADC
图2.N位ADC的典型时序图
如果ADC的转换速率大大超出最大输入频率，则转换期间输入电压的最大变化量为：
这是容性DAC切换回采集模式时出现的最大电压阶跃。然后，DAC电容与外部电容的并联组合会衰减此阶跃。因此，外部电容必须相对较大，达到几nF。此分析假设输入开关导通电阻的影响可忽略不计。现在需要建立的阶跃大小为：
接下来计算在ADC采集阶段，ADC输入建立至1/2LSB的时间常数。假设阶跃输入以指数方式建立，则所需RC时间常数τ为：
其中，tACQ为采集时间，NTC为建立所需的时间常数数目。所需的时间常数数目可以通过计算阶跃大小VSTEP，与建立误差（本例为1/2LSB）之比的自然对数来获得：
因此，
将上式代入前面的公式可得：
等效RC带宽=
然后，外部电容的电荷会衰减此阶跃。使用27pF的DAC电容并假设外部电容为2.7nF，则衰减系数约为101。将这些值代入VSTEP计算公式：
接下来计算建立至1/2LSB（16位、5V基准电压）的时间常数数目：
采集时间为：
计算τ：
因此，带宽为3.11MHz，REXT为18.9Ω.
图3.采用16位1MSPS ADC AD7980的RC滤波器
图4.多路复用设置
图5.多路复用时序
表1.建立至N位分辨率所需的时间常数数目
图6.源电阻对THD的影响与输入频率的关系
● 放大器大小信号带宽
● 建立时间
● 放大器噪声特性以及对系统噪声的影响
● 失真
● 失真对于电源轨的裕量要求
图7.ADA4084-2电压噪声与频率的关系
其中，en=噪声频谱密度(V/√Hz),N=放大器电路噪声增益，BWRC=R带宽(Hz)。
然后，通常通过下式计算低频1/f噪声；它通常指定为峰峰值，需要转换为均方根值。
其中，vn,1/f,pk=1/f峰峰值噪声电压，N=放大器电路噪声增益。
总噪声为以上两个噪声的和方根：
为将驱动器噪声对总SNR的影响降至最低，此总噪声应为ADC噪声的1/10左右。根据目标系统的SNR要求，可能还允许更高的噪声。例如，如果ADC的SNR为91dB，VREF=5V，则总噪声应小于或等于
由此值很容易算出1/f噪声和宽带噪声谱密度的最大允许值。假设拟用的放大器具有可忽略不计的1/f噪声，以单位增益工作，并采用RC带宽为上例计算值(3.11MHz)的滤波器，那么
因此，该放大器的宽带噪声谱密度必须小于或等于2.26nV/√Hz。ADA4841-1的宽带噪声谱密度为2.1nV/√Hz，符合这一要求。
《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载
{pagination}
放大器需要考虑的另一个重要特性是特定输入频率时的失真。通常，为获得最佳性能，16位ADC需要大约100dB的总谐波失真(THD)，18位ADC需要大约110dB。图8显示对于2Vp-p输入信号，ADA4841-1的典型失真与频率的关系图。
图中显示的不是总谐波失真，而是一般最为重要的二次和三次谐波成分。ADA4841-1的噪声非常小，失真特性优异，足以驱动18位ADC到大约30kHz。当输入频率接近100kHz或更高时，失真性能开始下降。为在高频时实现低失真，需要使用功耗更高、带宽更宽的放大器。较大的信号也会降低性能。对于0V至5V的ADC输入，失真性能信号范围将提高到5Vp-p。从图8所示的失真图可看出，这将产生不同的性能，因此放大器可能需要测试，以确保它满足要求。图9比较了多个输出电压水平的失真性能。
图8.ADA4841-1的失真与频率的关系
图9.不同输出电压水平下失真与频率的关系
-
微信扫一扫
一键转发 -
最前沿的电子设计资讯
请关注“电子技术设计微信公众号”
- 华为新通信系统专利发布，不同设备能利用人体通信互联 近日，华为公布了一项基于人体通信(HBC)的新专利，只要根据电子设备的结构和使用需求设置好信号电极和调整电路，满足了HBC需求，该专利系统可以应用于各种设备中···
- 需要生成50%占空比方波，门控555第一脉冲过长怎么办？ 之前我的一个设计实例“该怎么让门控555非稳态多谐振荡器顺利得到使用？”解决了传统拓扑的555非稳态电路在启动时由RESET引脚门控从振荡关闭到振荡开启时产生的第一个脉冲过长的问题，不太传统的555非稳态拓扑也会遭受相同的第一脉冲问题···
- 上海首家第三方整车OTA测试实验室携手MVG 填补智能 MVG近日宣布，中国信通院上海工创中心（以下简称“上海工创中心”） 与浙江埃科汽车技术服务有限公司（以下简称“浙江埃科”）耗时近两年时间联合打造的上海首家第三方整车天线性能测试（以下简称“整车OTA测试”）实验室建成并投入运营。
- 瑞萨推出其首款集成闪存的双核低功耗蓝牙SoC并实现最 全新DA14592 SoC和DA14592MOD模块支持众包定位等广泛应用，同时带来最低eBoM
- 瑞萨推出带有增强外设的RZ/G3S 64位微处理器，应用于物 新产品具有低至10µW的超低待机功耗和Linux快速启动功能
- 该怎么让门控555非稳态多谐振荡器顺利得到使用？ 通过使用555的RESET引脚能够根据需要选择性地打开和关闭振荡，但当RESET返回逻辑1并恢复振荡时，会出现一个疑难杂症···
- 大联大诠鼎集团推出基于Qualcomm产品的多频WiFi路由器 大联大控股宣布，其旗下诠鼎推出基于高通（Qualcomm）IPQ5018芯片的多频WiFi路由器方案。
- 大联大世平集团推出基于中科蓝讯产品的蓝牙音箱开发板 大联大控股宣布，其旗下世平推出基于中科蓝讯（Bluetrum）AB5301A的蓝牙音箱开发板方案。
- 中国团队找到减慢光速新方法，损耗降到记录的五分之一 近日，中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队提出了一种在光子芯片上减慢光速的新方法，有望极大地提高慢光光子芯片器件的性能···
- 一种降低PFC谐波和THD的谐波注入方法 判断PFC性能的最重要标准之一是总谐波失真(THD)，其要求最近变得更加严格，尤其是在服务器应用中。
- DeepSouth超算即将面世，模仿人脑能让计算机更高效？ 如果能够模仿人类的大脑来制造计算机，将能够实现更小体积和更低功耗下的更高算力，为此，西悉尼大学的ICNS团队开发了一台名为DeepSouth的超算，它使用硬件以每秒228万亿次突触操作的速度有效地模拟大型尖峰神经元网络，可与人脑的估计操作速率相媲美···
- 大联大世平集团联合多家原厂推出车载空调压缩机驱动方 大联大控股宣布，其旗下世平推出基于旗芯微（Flagchip）FC4150 MCU、恩智浦（NXP）FS2600汽车安全系统基础芯片（SBC）、安森美（onsemi）NFVA35065L32-D IPM模块以及圣邦微（SGMICRO）SGM8557H-1AQ车规级运放芯片的车载空调压缩机驱动方案。
- 2024年1月第3周新能源周销量 本周我们还是关注我们芝能热点品牌的情况，我们罗列了品牌和重点车型的情况···
- 与健康息息相关的分子马达（二） 细胞是一个包含多种分子马达的复杂系统，分子马达功能各异，协作完成细胞活动。但分子马达的功能异常或表达异常
- 拆解报告：酷态科10000mAh 30W快充移动电源 酷态科这款移动电源内置两节21700电池，总容量为10000mAH，体积小巧便携。移动电源两侧分别设有USB-C和USB-A接
- 华为FreeClip开放式耳机全球首拆 HUAWEI华为FreeClip开放式耳机在外观方面，采用极简主义几何设计，兼具了全天候舒适佩戴和时尚佩饰属性。在功能
- 神通552125软包电芯评测 这款神通552125软包电芯，我爱音频网分别在0.2C、0.5C以及1C三种倍率下进行测试，充电方面，1C倍率充电能在1小时2
- 华为FreeClip开放式耳机首发评测 作为华为旗下首款开放式耳机，FreeClip 采用了少见的「夹耳式」结构，整体呈 C 型，通过夹耳廓的形式固定在耳朵上
- 生物生命活动驱动者，与人类健康息息相关的分子马达(一） 分子马达由生物大分子构成，能够将化学能转化为机械能。分子马达作为具有特定结构的蛋白质，能够通过自身的运动
- 人形机器人之关键触觉传感器：刚性到柔性 触觉传感器是机器人进化的核心需要解决的问题，芝能科技将带你逐步了解触觉传感器的技术原理、技术路线、发展
- 拆解报告：美富达65W 2C1A氮化镓快充充电器 美富达这款65W充电器具备2C1A输出接口，并配有美标折叠插脚。充电器机身上没有标注任何产品信息。实测充电器
- 详细解读ACLR和ACPR 今天射频学堂将和大家一起抽丝剥茧一个射频指标——ACLR。
- 消失的她，GERBER失踪之谜 Gerber格式是线路板行业软件描述线路板（线路层、阻焊层、字符层等）图像及钻、铣数据的文档格式集合。明明有图
- OpenAI进军芯片行业 OpenAI，这个人工智能行业的当红小生，正积极探索半导体市场的机会。OpenAI首席执行官Sam Altman已开始与中东知
- Wi-Fi Alliance选用RUCKUS Wi-Fi 7平台作为Wi-Fi CERTIFIED 7互 RUCKUS Wi-Fi 7接入点为Wi-Fi CERTIFIED 7设备制定标准并支持全球互操作性
- 安霸发布前端AI开发者平台：Cooper Cooper开发者平台为工业应用、AIoT、智能视频分析和前端AI计算应用提供高能效解决方案。
- Microchip推出10款多通道远程温度传感器 MCP998x系列是单一供应商提供的最大车规级远程温度传感器产品组合之一
- 罗克韦尔自动化发布《可持续发展2023年度报告》 阐述在可持续发展方面的进展和成果
- Melexis首创Triphibian技术可实现MEMS压力敏感元件革新 Melexis今日宣布，推出首款采用全新专利Triphibian™技术的压力传感器芯片MLX90830。
- 上海首家第三方整车OTA测试实验室携手MVG 填补智能网联汽车测 MVG近日宣布，中国信通院上海工创中心（以下简称“上海工创中心”） 与浙江埃科汽车技术服务有限公司（以下简称“
- Transphorm发布两款4引脚TO-247封装器件，针对高功率服务器、可再 新推出的氮化镓场效应晶体管可作为原始设计选项或碳化硅（SiC）替代器件
- 全国产六核CPU商显板，米尔-芯驰D9360高性能高安全显控方案 今天给大家介绍一款国产厂商（芯驰科技）推出的六核高性能、高安全性芯片：D9-Pro，这款芯片有超强视频编解码能力，米
- 意法半导体与Sphere Studios联合打造全球最大的电影摄影机图像传 该影像传感器专为世界上最先进的摄影系统 Big Sky而定制，能够为拉斯维加斯的 Sphere球幕拍摄超高分辨率影像
- 美光率先上市基于LPDDR5X的 LPCAMM2内存模块，变革PC用户体验 LPCAMM2 内存模块以更高性能、更低功耗、更小的外形规格助力笔记本电脑实现更快速度、更小巧尺寸和更强续航
- 瑞萨推出其首款集成闪存的双核低功耗蓝牙SoC并实现最低功耗 全新DA14592 SoC和DA14592MOD模块支持众包定位等广泛应用，同时带来最低eBoM
- Vishay为其高性能红外接收器模块推出升级版 器件可提供即插即用方式替换现有解决方案，降低更宽电源电压范围内的供电电流，提高抗ESD可靠性、黑暗环境灵敏
