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SAR ADC的设计要点(一)

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mervyn|  楼主 | 2015-7-6 16:27 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
SAR ADC要求 conv信号要干净;首先注意是基准电压源的设计;其次ADC的RC滤波器设计,以及前端放大器设计;多通道选择时,要注意多通道选择切换时的建立时间;还有电源的设计;
1,精密 SAR ADC基准电压源设计
      SARADC的简化原理图如下图,采用期间,容性DAC连接至ADC输入,并且与输入电压成比例的电荷被存储在电容器中。转换开始后,DAC从输入端断开。转换算法逐个开关每一位至基准电压或地。电容上的电荷再分配可导致电流流入或流出基准电压源。动态电流负载是ADC吞吐速率和控制位检验的内部时钟函数。
file:///C:/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg
图2显示16位,1MSPS,PulSAR ADC AD7980基准电压输入端的动态电流负载。通过观察基准电压源和基准电压引脚之间500Ω电阻上的电压降,得出测量值。曲线显示电流尖峰高达2.5mA,并且在整个转换期间分布着较小的尖峰;
file:///C:/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
若要支持该电流,需要尽可能靠近基准电压输入放置一个高数值,低ESR的储能电容,通常为10uF或者更大;该电容极大会产生稳定性问题。基准电源源,或是基准电压缓冲器在最高的目标频率下必须具有足够低的输出阻抗,以便在ADC输入端保持电压水平,使电压不至于因为电流而产生太大的压降;
(1)计算基准电压源允许最大的输出阻抗
为了避免转换误差,特定吞吐速率下所需要的平均电流不应使得基准电压下降超过1/2LSB。
以AD7980为16位,Iref=330uA,Vref = 5V; 允许最大输出阻抗为:
Ro_max = Vhalf_lsb/I ref=(5V/216+1)/330ua =0.115Ω;
大部分基准电压源不指定输出阻抗,但会指定负载调整率,通常以ppm/mA表示。例如ADR435 最大负载调整率为15ppm/mA.转换为电阻。
Ro = (5V*15ppm/mA)/1000 =0.075Ω < 0.115Ω;就输出阻抗而言,ADR435足够了。它可以流出最大的电流为10mA,足够处理330uA的平均基准电流。当ADC输入的电压超过基准电压,哪怕只是很短的一段时间,它也会向基准电压源注入电流,因此基准必须能够吸取一定量的电流。与某些老基准电压源不同,ADR435能够吸收10MA电流。当基准稳压电源的驱动能力不足时,应该增加缓冲器。运算放大器需要低噪声,低输出阻抗,且能够驱动大负载电容。一般运放不会给出输出阻抗,但是可以通过输出阻抗与频率的关系图获得;AD8031,ADA4841是一个不错的选择。
(2)计算缓冲器的噪声
一旦确定了驱动能力,就需要对基准电压源电路的噪声进行一个评估。为了得到良好的SNR值,必须把基准电压源噪声贡献限定为ADC噪声的一小部分(比较理想的是1/5或是更低)。例如,AD7980 5V基准电压源,额定SNR为91dB.
SNR = 20lgS/N  => Np-p = S*10-(SNR/20)  ,Nrms = Np-p/√12
5V/2√2*10-(91/20) =50uVrms   
基准电压源电路的噪声不要超过10uVrms.基准电压源和运放的噪声规格分为:低频(1/f)噪声和宽带噪声。
从ADR435 DATASHEET查出的数据
file:///C:/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg
1/F 噪声为8uVp-p   转成rms 值8uVp-p/6.6 =1.2uV rms
估计噪声带宽为3kHZ, 有效带宽为1.57 x3KHZ =4.7Khz;
使用该有效带宽计算RMS宽带噪声:
115nV/√hz x √4.7Khz = 7.9uV rms
总rms 噪声是低频噪声和宽带噪声的平方和开根:
√((1.2uV rms)2+(7.9uV rms)2 )=8 uVrms  < 10 uVrms
通常,基准电压缓冲器的噪声密度远低于基准电压源的噪声密度。

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