SAR型ADC应用

2019-8-6 04:45:15

3870 adc SAR

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。

References
[1] SLAA571A：Design Challenges and Improvement Techniques for SAR ADC Driver Circuit http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/slaa571a/slaa571a.pdf
[2] TI Precision Labs Pro Online Lab - ADCs Session 1
https://training.ti.com/ti-precision-labs-pro-adcs-session-1?cu=1127787&keyMatch=Art%20Kay&tisearch=Search-CN-Support