4个主要子电路构成ADC框架设计

电路

简介

最高]

逐次逼近型架构

逐次逼近型ADC由4个主要子电路构成：采样保持放大器(SHA)、]

图 1 基本 SAR ADC 架构

在上电和初始化之后，CONVERT]

与 SAR转换代码相关的因素

本文将讨论与有效首次转换相关的下列因素：

电源顺序(AD765x-1)
访问控制(AD7367)

RESET]些采用多个电源的ADC拥有明确的上电序列。AN-932应用笔记电源序列, 列为这些ADC电源的设计提供了良好的参考。应该特别注意模拟和参考输入，因为这些一般不得超过模拟电源电压0.3 V 以上。因此， AGND – 0.3 V < VIN < VDD + 0.3 V 且 AGND – 0.3 V < VREF < VDD + 0.3V。模拟电源应在模拟输入或基准电压之前开启，否则，模拟内核可能会以闩锁状态上电。类似地，数字输入应在 DGND − 0.3 V和VIO + 0.3 V之间。I/O电源必须在接口电路之前（或与其同时）开启，否则，这些引脚上的ESD二极管可能变成正偏，而且数字内核可能以未知状态上电。

电源斜坡过程中的数据访问

在电源稳定之前不得访问ADC，因为这样可能使其进入未知状态。在图 2 所示例子中，主机FPGA正在尝试从 AD7367读取数据，而DVCC正在斜升，结果可能使ADC进入未知状态。

许多SAR ADC（如AD760x 和 AD765x-1在上电后需要通过 RESET来实现初始化。在所有电源都稳定之后，应施加一个指定的RESET脉冲，以确保ADC以预期状态启动，同时使数字逻辑控制处于默认状态，并清除转换数据寄存器。上电时，电压开始在REFIN/REFOUT 引脚上建立，ADC进入采集模式，同时配置用户指定模式。完全上电后，AD760x应看到一个上升沿RESET将其配置为正常工作模式。RESET高脉冲宽度典型值为50nss。

建立基准电压

ADC 将模拟输入电压转换成指向基准电压的数字代码，因此，基准电压必须在首次转换前稳定下来。许多 SAR ADC 都有一个 REFIN/REFOUT 引脚和一个 REF 或 REFCAP 引脚。外部基准电压可能会通过 REFIN/REFOUT 引脚过驱内部基准电压源，或者，内部基准电压源可能会直接驱动缓冲。REFCAP 引脚上的电容会使内部缓冲输出去耦，而这正是用于转换的基准电压源。图 3 所示为 AD765x-1 数据手册中的参考电路示例。

确保 REF 或 REFCAP 上的电压在首次转换之前已建立。压摆率和建立时间因不同的储能电容而异，如图 4 所示。

另外，设计不佳的参考电路可能导致严重的转换错误。参考电路问题最常见的表现是"粘连"代码，其原因可能是储能电容的尺寸和位置、驱动强度不足或者输入存在大量噪声。精密逐次逼近型ADC的基准电压源设计计作者：Alan Walsh (模拟对话第47卷第 2期，2013年)详细讨论了SAR ADC的基准电压源设计。

模拟输入建立时间

对于多通道、多路复用应用，驱动器放大器和 ADC 的模拟输入电路必须使内部电容阵列以 16 位水平(0.00076%)建立满量程阶跃。不幸的是，放大器数据手册一般将建立精度指定为 0.1%或 0.01%。指定的建立时间可能与 16 位精度的建立时间显著不同，因此选择驱动器之前应进行验证。

要特别注意多路复用应用中的建立时间。在多路复用器切换之后，要确保留出足够的时间，以便模拟输入能在转换开始之前建立至指定的精度。在配合AD7606使用多路复用器时，应为±10-V输入范围留出至少 80 µs的时间，为±5-V范围留出至少 88 µs，以便给选定通道足够的时间来建立至 16 位分辨率面向精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计作者：Alan Walsh(模拟对话话第 46 卷第 4 期，2012 年)为放大器的选择提供了更多细节。

模拟输入范围

确保模拟输入处于指定的输入范围之内，要特别注意指定共模电压的差分输入范围，如图 5 所示。

For example, the AD796018位、 5 MSPS SAR ADC的差分输入范围为–VREF 至 +VREF，但折合到地的 VIN+ 和 VIN− −都应该处于–0.1 V至 VREF + 0.1 V的范围内，且共模电压应为 VREF/2左右，如表1所示。

表 1 AD7960的模拟输入规格

参数	测试条件/ 注释	最小值	典型值	最大值	单位
电压范围	VIN+ − VIN−	−VREF		+VREF	V
工作输入电压	VIN+, VIN− to GND	−0.1		VREF + 0.1	V
共模输入范围		VREF/ 2 − 0.05	VREF/2	VREF/ 2 + 0.05	V

使 SAR ADC退出关断或待机模式

为了节能，有些SAR]

根据图6所示，当STBY]

图 6 AD7606 初始化时序
带延迟的 SAR ADC

人们普遍认为，SAR]

例如，AD7985拥有两种转换工作模式：turbo和正常。Turbo模]对于AD7682/AD7689, 上电后的前三个转换结果未定义，因为在第二个EOC之前，不会出现有效的配置。因此，需要两次伪转换，如图 7 所示。

当在硬件模式下使用 AD765x-1 时，在 BUSY 信号下降沿对 RANGE 引脚的逻辑状态进行采样，以决定下一次同步转换的模拟输入范围。在有效的 RESET 脉冲之后，AD765x-1 将默认在±4 × VREF 范围内工作，无延迟问题。然而，如果 AD765x-1 工作于±2 × VREF 范围内，则必须利用伪转换周期在 BUSY的第一个下降沿选择范围。

另外，有些SAR ADC（如AD7766/AD7767过采样SAR ADC）有后数字滤波器，结果会导致更多延迟。当将模拟输入多路复用至这类ADC时，主机必须等到数字滤波器完全建立后才能获得有效转换结果；经过该建立时间后，方可切换通道。

如表]

表]最后，但同样重要的是，主机可以通过一些常见的接口选项（如并行、并行 BYTE、IIC、SPI 和菊花链模式下的 SPI）来访问 SAR ADC 的转换结果。要得到有效的转换数据，必须确保遵循数据手册中的数字接口时序规格。

结论

为了获得 SAR ADC 的第一个有效转换代码，务必遵循本文讨论的建议。可能还需要其他具体配置支持；请查看目标 SAR ADC 数据手册或者应用笔记，了解关于第一个转换周期开始之前初始化的相关内容。

参考电路

Kester, Walt. Data Converter Support Circuits. Chapter 7, Data Conversion Handbook.

Kester,]Walsh, Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue, Volume 46, Number 4, 2012.

作者Steven Xie

王栋春 · 2019-11-2 22:07:03

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