編者按：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 將模擬世界連接到數(shù)字世界，因此是連接到現(xiàn)實(shí)世界的任何電子系統(tǒng)的基本部件。它們也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。本系列文章探討 ADC 的基礎(chǔ)知識(shí)、各種 ADC 類型及其應(yīng)用。本文為本系列關(guān)于模擬基礎(chǔ)知識(shí)文章的第 1 部分，將討論逐次逼近寄存器 （SAR） ADC。第 2 部分將討論三角積分 （Δ?） 轉(zhuǎn)換器。第 3 部分將探討流水線 ADC。第 4 部分 將說明三角積分 ADC 如何能夠產(chǎn)生超低噪音結(jié)果。第 5 部分 探討 SAR ADC 的輸入驅(qū)動(dòng)難題。

現(xiàn)在仍然是一個(gè)模擬世界，因此要讓感知的信息進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域，需要進(jìn)行某種轉(zhuǎn)換。這一重任就由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 來完成。多年來，成功崛起的三種 ADC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是逐次逼近寄存器 （SAR）、三角積分 （S-D） 和流水線 ADC。這三種 ADC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)截然不同，以便在不同的頻率范圍內(nèi)工作，服務(wù)于從低頻傳感器應(yīng)用到更高頻率的 LiDAR 或衛(wèi)星通信等所有領(lǐng)域。

SAR ADC 是第一種成為主流的轉(zhuǎn)換器。隨著時(shí)間的推移，這種轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)在各種應(yīng)用中，包括過程控制、醫(yī)療和早期數(shù)字音頻系統(tǒng)。這些應(yīng)用受益于 SAR ADC 的 8 位至 20 位輸出轉(zhuǎn)換范圍。但是，SAR ADC 賴以成名的原因是它會(huì)捕獲模擬輸入信號(hào)的快照，并使用多個(gè)信號(hào)快照來繪制一段時(shí)間內(nèi)的圖像。

本文將簡要介紹與 SAR ADC 密切相關(guān)的信號(hào)鏈。接下來，通過分析負(fù)責(zé) ADC 快照操作的基本輸入級(jí)，深入研究該 ADC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然后，本文將介紹 SAR ADC 示例解決方案——Analog Devices 的 AD7625BCPZ 和 AD4020BCPZ-RL7，著重討論 ADC4020BCPZ-RL7 的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)制。另外，還提供了合適數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵規(guī)格。

SAR ADC 的模擬信號(hào)鏈

SAR ADC 常用于自動(dòng)測試設(shè)備、機(jī)器自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備和精密數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中。在所有 SAR ADC 應(yīng)用中，都存在一個(gè)需要適度 8 至 20 位分辨率數(shù)字表示的模擬信號(hào)，并且采樣速率從接近 DC 到每秒 15 兆 （MSPS）（在撰寫本文時(shí)）。

SAR ADC 能力強(qiáng)大，無需模擬前端 （AFE） 信號(hào)鏈即可工作。但是，如果設(shè)計(jì)人員的工作還包括在 SAR ADC 的前端成功呈現(xiàn)信號(hào)，則很有可能需要一定程度的信號(hào)調(diào)節(jié)（圖 1）。

圖 1：該示例 SAR ADC 信號(hào)鏈包括 X 射線探測器、AFE、放大器驅(qū)動(dòng)器、Analog Device 的 AD7625BCPZ 6 MSPS 轉(zhuǎn)換器，以及用于獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字接收器 （FPGA）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在圖中，X 射線源經(jīng)行李箱將信號(hào)發(fā)送到 x 射線探測器。X 射線設(shè)備的工作是在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建行李箱的完整圖像，以減少旅客的不滿。

前端獲取探測器信號(hào)并執(zhí)行信號(hào)調(diào)節(jié)功能，例如模擬增益和電平位移。然后信號(hào)被提供給 SAR ADC，在本例中為 Analog Devices 的 AD7625BCPZ。

SAR ADC 之前的放大器提供適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定功能，在放大器與 SAR ADC 之間通常有一個(gè)一階低通濾波器。該 SAR ADC 能夠以高達(dá) 6 MSPS 的速度采樣（每 167 納秒 ［ns］ 采樣一次），可以在短時(shí)間內(nèi)獲得多個(gè)快照。

SAR ADC 輸入級(jí)的核心已簡化

隨著時(shí)間的推移，SAR ADC 經(jīng)歷了許多增強(qiáng)和改進(jìn)，但在所有情況下，轉(zhuǎn)換期間的主要活動(dòng)都是電荷再分配，這是逐次逼近 ADC 最常見的實(shí)現(xiàn)形式之一。此外，與 S-D 和流水線轉(zhuǎn)換器不同，SAR ADC 還具有零延遲優(yōu)勢。

在最簡單的層面上，很容易看到信號(hào)快照發(fā)生的位置。SAR ADC 輸入核心包含輸入信號(hào)采集開關(guān) （S1）、電容陣列、轉(zhuǎn)換開關(guān) （SC） 和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 （? VREF）（圖 2）。

圖 2：驅(qū)動(dòng) SAR ADC 的運(yùn)算放大器 （op amp），帶有輸出穩(wěn)定濾波器。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

SAR ADC 核心的工作方式如下：

1、S1 打開，SC 關(guān)閉：斷開輸入級(jí)與模擬信號(hào)源的連接。

2、C 上的電荷通過 ? VREF 重新校準(zhǔn)。這種重新校準(zhǔn)使 SAR ADC 清零。

3、然后，S1 關(guān)閉，SC 打開：現(xiàn)在，該設(shè)備已連接到輸入模擬信號(hào)。

4、SAR ADC 在預(yù)定的采集時(shí)間內(nèi)采集輸入信號(hào) VS。此采集時(shí)間可產(chǎn)生 S1 和 SC 開關(guān)噪聲，以及放大器突然暴露于電容加載和開關(guān)噪聲。

5、然后，S1 打開：這是發(fā)生信號(hào)快照的確切實(shí)例。

6、SAR ADC 將 VC 處的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。執(zhí)行此操作花費(fèi)的時(shí)間就是“轉(zhuǎn)換時(shí)間”。

SAR ADC 輸入級(jí)的核心詳細(xì)信息

轉(zhuǎn)換核心可對(duì)在 VC 處所采集信號(hào)進(jìn)行電荷再分配。轉(zhuǎn)換器電荷再分配的協(xié)調(diào)發(fā)生在核心中，由時(shí)鐘進(jìn)行門控。通過此過程，每個(gè)時(shí)鐘控制的數(shù)字輸出代碼會(huì)到達(dá) SAR ADC 的 DOUT 輸出（圖 3）。

圖 3：4 位 SAR ADC 光幕具有完整的數(shù)字加權(quán)電容陣列：16C、8C、4C、2C 和兩個(gè) C。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在轉(zhuǎn)換過程中，SAR ADC 算法首先會(huì)確定最高有效位 （MSB）。SAR ADC 通過在 V- 和 VREF 比較器輸入之間切換 16C 電容器的底部，開始測試與 ? VREF 相比的信號(hào)幅度。在 SAR ADC 轉(zhuǎn)換線中，下一個(gè)比較是針對(duì) ? VREF 測試 8C（未顯示），然后是 4C 測試，等等。

SAR ADC 輸出轉(zhuǎn)換詳細(xì)信息

MSB 決策會(huì)立即通過 DOUT 引腳發(fā)送，而在進(jìn)行 MSB 1 決策時(shí)，MSB 開關(guān)會(huì)保持凍結(jié)狀態(tài)。SAR ADC 會(huì)一直執(zhí)行此算法，直到最終選擇最低有效位 （LSB）（圖 4）。

圖 4：4 位 SAR ADC 通過位決策對(duì)轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行時(shí)鐘控制，并通過 DOUT 引腳發(fā)送這些決策（如圖 3 所示）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在圖 4 中，SAR ADC 時(shí)鐘控制的位決策順序是從 MSB 一直到 LSB。所有轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在時(shí)鐘控制下繼續(xù)通過圖 3 右上角的 DOUT 立即輸出。完整的吞吐時(shí)間通常需要足夠的時(shí)間來采集信號(hào)，并且每個(gè)位需要一個(gè)時(shí)鐘周期。

SAR ADC 轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)人員必須了解信號(hào)的建立時(shí)間量，以確保從轉(zhuǎn)換中捕獲正確的模擬值（圖 5）。

圖 5：12 位 SAR DAC 的轉(zhuǎn)換時(shí)序示意圖。每次完整的轉(zhuǎn)換需要 16 個(gè)時(shí)鐘。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

在圖 5 中，輸入信號(hào) VC 在轉(zhuǎn)換器輸入開關(guān)打開之前未達(dá)到最終所需電壓。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)?a href="http://qiaming.cn/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)人員錯(cuò)誤地計(jì)算了放大器輸入信號(hào)的建立時(shí)間。

AD4020BCPZ-RL7 20 位 1.8 MSPS SAR ADC 通過延長采集相位的同時(shí)仍保持吞吐率，降低了信號(hào)采集的復(fù)雜性。它具有 100.5 dB 的低信噪比 （SNR）。

SAR AD 傳遞函數(shù)

ADC 的可能代碼數(shù)等于 2N，其中 N 是位數(shù)。例如，4 位轉(zhuǎn)換器具有 24 或 16 個(gè)單獨(dú)的可用代碼（圖 6）。

圖 6：理想 4 位 SAR AD 的傳遞函數(shù)或數(shù)字輸出代碼與模擬輸入電壓的關(guān)系圖，應(yīng)為一條直線。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

繪制圖像

SAR ADC 的吞吐率包括采集時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間，以讓 Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL7 在 20 位分辨率下的吞吐率高達(dá) 1.8 MSPS。利用 AD4020BCPZ-RL7 吞吐速度，可以獲取多個(gè)快照并創(chuàng)建用于機(jī)器自動(dòng)化和醫(yī)療設(shè)備的數(shù)字圖片渲染解決方案。

總結(jié)

從過程控制到醫(yī)療和消費(fèi)類應(yīng)用，SAR ADC 憑借獲取信號(hào)快照的能力及不斷提高的分辨率和速度，持續(xù)證明其價(jià)值。目前的 SAR ADC 具有 8 到 20 位的分辨率，吞吐率高達(dá) 15 MSPS。Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL 就是一個(gè)例子，其具有低噪聲、高速、20 位、1.8 MSPS 的精度。但是，SAR ADC 轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的發(fā)展還未結(jié)束。未來還會(huì)有更多產(chǎn)品。