還搞不懂ADC?不同SAR ADC模擬輸入架構(gòu)探討

對于ADC，很多朋友都很了解。在小編身邊，便存在好幾個ADC大佬。如果你還不是一個精通ADC的大佬，可要認(rèn)真學(xué)習(xí)了哦。為了增進(jìn)大家對ADC的認(rèn)識，本文將對不同SAR ADC模擬輸入架構(gòu)予以介紹。如果你對ADC具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器又稱SAR ADC，是通用級模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生連續(xù)模擬波形的數(shù)字離散時間表示。它們通過電荷再分配過程完成這一任務(wù);在此過程中，已知的定量電荷與ADC輸入端獲取的電荷量相比較。期間針對所有可能的數(shù)字代碼(量化電平)執(zhí)行二進(jìn)制搜索，最終結(jié)果收斂至某一代碼，使內(nèi)部集成的比較器返回平衡狀態(tài)。0和1的組合表示電路產(chǎn)生的決策序列，使系統(tǒng)回到均衡狀態(tài)。

SAR ADC是通用、易用、完全異步的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。但是，決定特定應(yīng)用使用哪種轉(zhuǎn)換器時，仍需做出一些選擇。本文具體討論ADI SAR ADC產(chǎn)品組合提供的模擬輸入信號類型。但應(yīng)注意，盡管本文關(guān)注的是SAR ADC，輸入類型通用于所有ADC架構(gòu)。根據(jù)所考慮電路的信號源類型或總體目標(biāo)，需要做出特定設(shè)計(jì)決策和權(quán)衡。最簡單的解決方案是匹配ADC輸入類型與信號源輸出配置。不過，源信號可能需要改變信號類型的調(diào)理，或者存在成本、功率或面積考慮因素，影響模擬輸入類型決策。我們來了解一下不同的可用模擬輸入類型。

單端

最簡單的模擬輸入類型是單端輸入。此時，信號從來源到達(dá)ADC僅需要一條線路。這種情況下將使用單個輸入引腳，無信號源直接返回或感測路徑。相對于ADC的接地引腳產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)果。根據(jù)特定器件，輸入可能為單極性或雙極性。單端情況下，簡單是其優(yōu)點(diǎn)。信號從來源到達(dá)ADC僅需要一條走線。這可以減少系統(tǒng)復(fù)雜性，同時降低總信號鏈的功耗。當(dāng)然簡單也可能有代價(jià)。單端設(shè)置不會抑制信號鏈內(nèi)的直流失調(diào)。單端系統(tǒng)需要相對于載流地層執(zhí)行測量，信號源接地與ADC接地之間的電壓差異可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換結(jié)果中。而且，設(shè)置更易受耦合噪聲影響。因此，信號源和ADC應(yīng)彼此靠近，以緩解這些效應(yīng)。如果SAR ADC是單極性單端配置，容許信號擺幅介于接地與正滿量程之間，通常由ADC基準(zhǔn)電壓輸入設(shè)置。

偽差分

如果需要感測信號地或從載流地層解耦相對測量結(jié)果，信號鏈設(shè)計(jì)人員可能考慮遷移至偽差分輸入結(jié)構(gòu)。偽差分器件本質(zhì)上是帶參考地的單端ADC。器件執(zhí)行差分測量，但檢測的差分電壓是相對于輸入信號接地電平測量的單端輸入信號。單端輸入被驅(qū)動至ADC的正輸入端(IN+)，輸入接地電平被驅(qū)動至ADC的負(fù)輸入端(IN–)。需要注意的是，信號鏈設(shè)計(jì)人員必須注意負(fù)輸入的模擬輸入范圍。一些情況中，負(fù)輸入引腳相對于正輸入具有有限的輸入范圍。這些情況下，正輸入可在容許輸入電壓范圍內(nèi)自由擺動，而ADC的負(fù)輸入可限制在ADC接地附近的較小±電壓范圍內(nèi)。每個ADC輸入的容許輸入范圍可在數(shù)據(jù)手冊中找到。

在偽雙極性設(shè)置中，單端單極性信號被驅(qū)動至ADC的正輸入端。然而，信號源地未被驅(qū)動至ADC的負(fù)輸入端，此輸入到達(dá)滿量程電壓的一半。本例中，輸入范圍為±VFS/2，而非0至VFS。未出現(xiàn)動態(tài)范圍增加，單極性情況與偽雙極性情況之間的差異是測量正輸入所依靠的相對電壓。與單極性偽差分情況相同，偽雙極性負(fù)輸入具有有限的輸入范圍。不過，此時電壓將在VFS/2而非接地左右變化。

差分

偽差分架構(gòu)優(yōu)于單端架構(gòu)之處在于能夠抑制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)內(nèi)的特定擾動信號。不過，存在可提供相同抑制優(yōu)勢，同時也增加系統(tǒng)動態(tài)范圍的架構(gòu)。差分架構(gòu)允許用戶最大限度地增加ADC的輸入范圍。與單端或偽差分方案相比，差分信號可將給定電源和基準(zhǔn)電壓設(shè)置的輸入范圍加倍，提供最多6 dB的動態(tài)范圍增加，而不增加器件功耗。

ADI提供兩種帶有差分輸入的器件。本文介紹的第一種是差分反相。本例中，ADC轉(zhuǎn)換ADC正負(fù)輸入之間的差異，同時正負(fù)輸入彼此180°反相擺動。通常，差分反相器件為單極性。因此，差分器件的每一側(cè)將在低電壓與正滿量程(由基準(zhǔn)電壓輸入設(shè)置)之間擺動。由于差分器件每一側(cè)180°反相，輸入共模固定。與偽差分器件相似，差分反相器件可限制其容許共模輸入范圍。此范圍可在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊的規(guī)格表中找到。對于ADC輸入的絕對輸入范圍為0伏至正滿量程的器件，共模電壓為V FS/2。大多數(shù)情況下，對于高分辨率(16位及更高)差分反相SAR ADC，共模電壓范圍為典型共模電壓±100 mV。

需要絕對最佳性能時，通常選擇差分反相器件。差分信號將提供最大噪聲抑制，趨于消除偶次項(xiàng)失真特性。如圖8所示，由于差分器件引腳以相反方向擺動，動態(tài)范圍和SNR相對于單端和偽差分配置有所改善。

如果需要在信號源為單端的信號鏈中最大限度地提高系統(tǒng)性能，可使用單端至差分放大器，例如ADA4940-1或ADA4941-1，以適當(dāng)調(diào)理輸入信號，匹配其與ADC的共模。如同偽差分器件，如果系統(tǒng)內(nèi)存在較大共模，應(yīng)使用儀表放大器來調(diào)理共模主體。差分ADC可處理共模中的精細(xì)變化，且聚合信號鏈具有極佳的CMRR。

另一個常見的差分反相失誤是180°反相、但共模不當(dāng)?shù)男盘?，或者將ADC的IN-引腳連接至直流基底電壓。在負(fù)ADC輸入端提供直流電壓很快便會違反共模范圍規(guī)格，同時消除差分信號的動態(tài)范圍優(yōu)勢。第二種差分信號是測量任意兩個信號之間的差分，而不論共模如何。ADI提供一系列基于SAR ADC技術(shù)的集成式數(shù)據(jù)采集解決方案測量全差分信號。對于尋找具有寬容許輸入共模范圍的集成式數(shù)據(jù)采集解決方案的信號鏈設(shè)計(jì)人員，ADI提供ADAS3022和ADAS3023。它們分別是雙極性連續(xù)和同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，共模范圍寬達(dá)±10 V。在此范圍內(nèi)，它們可展示任意兩個信號間的差異。

代碼0將代表負(fù)滿量程輸入電壓，代碼2N – 1(N為位數(shù))將代表正滿量程輸入。具有±極性輸入的器件將采用二進(jìn)制補(bǔ)碼，以便將符號位提供給用戶。具有±極性的器件包括單端雙極性、偽差分雙極性、偽雙極性和全差分器件。對于這些ADC，負(fù)滿量程輸入將由代碼–2N – 1代表，正滿量程輸入將由代碼2N – 1– 1代表。

模擬輸入類型可影響數(shù)字輸出編碼。具有單極性輸入范圍的轉(zhuǎn)換器，例如單端單極性和偽差分器件，采用直接二進(jìn)制編碼。

SAR ADC是創(chuàng)建模數(shù)轉(zhuǎn)換信號鏈的通用、低功耗、高性能選項(xiàng)。這些器件易于實(shí)施。不過，為獲得系統(tǒng)的所需性能，必須做出特定架構(gòu)選擇。本文具體討論ADI SAR ADC產(chǎn)品組合提供的模擬輸入類型選擇。每種輸入類型提供特定優(yōu)勢，同時必須做出特定權(quán)衡。如上所述，正確的選擇對于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。

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