易被忽略的設(shè)計(jì)——SAR-ADC 電壓基準(zhǔn)電路

 TI的SAR-ADC方面資深應(yīng)用工程師Rafael曾說過，SAR-ADC應(yīng)用電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)的70%-80%應(yīng)放在基準(zhǔn)源電路的設(shè)計(jì)。然而工程師們時(shí)常把基準(zhǔn)源的電路的設(shè)計(jì)忽略。

這個(gè)問題常常被忽略的原因可能來源于我們大學(xué)期間的教材。眾多《數(shù)子電路基礎(chǔ)》教材中，一般都沒有給出SAR-ADC內(nèi)部的電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，《模擬電路基礎(chǔ)》教材也很少討論基準(zhǔn)源。然而在SAR-ADC設(shè)計(jì)時(shí)基準(zhǔn)源的電路設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。簡單理解，基準(zhǔn)都不精確、干凈、穩(wěn)定，就不用指望轉(zhuǎn)化出來的結(jié)果會(huì)精確。下面從ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，來說明基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)的重要性，并給出支持16bits SAR-ADC的基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)。

下圖是SAR型ADC的內(nèi)部原理簡圖，SAR-ADC在采樣過程中輸入引腳AIN要對(duì)內(nèi)部的采樣電容充電。而轉(zhuǎn)化過程中，Vref基準(zhǔn)源引腳要對(duì)轉(zhuǎn)化電容網(wǎng)充電。簡而言之SAR-ADC的采樣保持和量化過程，都是有對(duì)內(nèi)部電容的充電過程。讀過相關(guān)文章“Design SAR-ADC Driver Cirtuitry”工程師，都會(huì)深刻理解SAR-ADC驅(qū)動(dòng)電路后，ADC輸入引腳電容的重要性。原因是在采樣保持過程中SAR-ADC采樣電容會(huì)從輸入引腳AIN驅(qū)動(dòng)電容上抽取電荷。

常被忽略的地方是，整個(gè)采樣轉(zhuǎn)化周期里，SAR-ADC需要從信號(hào)電路中抽取一次電荷，而要從基準(zhǔn)源REF中抽取N次電荷(N等于ADC的位數(shù))，而且抽取的周期更短(一個(gè)轉(zhuǎn)化時(shí)鐘的周期)。這就要求基準(zhǔn)源在整個(gè)轉(zhuǎn)化過程中，能夠更快的給轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)電容充電，并且保持基準(zhǔn)源的恒定。確切的說比信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的要求更高。下圖是一個(gè)基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)不良時(shí)，轉(zhuǎn)化過程中的基準(zhǔn)源引腳電壓，由示波器測得。由圖可知，每個(gè)轉(zhuǎn)化時(shí)鐘周期，ADC都要從基準(zhǔn)源上抽取電荷，并且要求恢復(fù)時(shí)間極短。

看了上圖中基準(zhǔn)源引腳上的電壓在采樣過程中的變化，我們會(huì)深刻的理解到SAR-ADC的基準(zhǔn)源引腳穩(wěn)定的重要性。我們總不希望在SAR-ADC轉(zhuǎn)化的MSB位時(shí)，基準(zhǔn)電壓是2.500V，到LSB位時(shí)，就變成了2.498V。

下圖一個(gè)典型的基準(zhǔn)源連接ADC的電路。這個(gè)電路適合于給8-14倍的ADC提供基準(zhǔn)。我們多數(shù)情況下，會(huì)關(guān)注基準(zhǔn)源的初始精度，但這個(gè)精度是可以通過軟件或硬件調(diào)整的。SAR-ADC的基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)有很多更值得關(guān)注的地方。如引腳電容，這個(gè)電容是給內(nèi)部的轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)提供電荷，至關(guān)重要，但常被忽略。