探索不同的SAR ADC模擬輸入架構

逐次逼近寄存器模數轉換器（通常稱為SAR ADC）是一類通用的模數轉換器，可產生連續(xù)模擬波形的數字（離散時間）表示。它們通過電荷再分配過程完成此任務，其中將已知的固定電荷量與從輸入到ADC的采集電荷進行比較。在此過程中，通過所有可能的數字代碼（量化電平）執(zhí)行二進制搜索，其中最終結果收斂于使內部外殼比較器恢復平衡的代碼。1和0的組合表示電路生成的決策序列，使系統(tǒng)恢復平衡狀態(tài)。

從高層次來看，SAR ADC是一款多功能、易于使用、完全異步的數據轉換器。盡管如此，在決定將哪個轉換器用于特定應用時，還是需要做出一些選擇。在這里，我們將重點介紹ADI公司SAR ADC產品組合中可用的模擬輸入信號類型。應該注意的是，盡管重點是SAR ADC，但輸入類型對于所有ADC架構都是通用的。根據所考慮電路的源類型或總體目標，需要做出某些設計決策和權衡。最簡單的解決方案是將ADC輸入類型與信號源輸出配置相匹配。但是，源信號可能需要調理以改變信號類型，或者可能存在影響模擬輸入類型決策的成本、功耗或面積考慮因素。讓我們探討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。在這種情況下，只需一根導線即可將信號從源端傳輸到ADC。將有一個輸入引腳，沒有直接返回或檢測路徑返回到信號源。轉換結果將相對于ADC的接地引腳生成。根據具體器件的不同，輸入可以是單極性或雙極性。在單端情況下，簡單是它的優(yōu)點。只需一條跡線即可將信號從源端傳輸到ADC。這可以降低系統(tǒng)的復雜性，同時降低整個信號鏈的功耗。這種簡單性可能需要權衡。單端設置不會抑制信號鏈中存在的直流失調。單端系統(tǒng)依賴于相對于載流接地層進行測量，源極接地和ADC接地之間的電壓差將出現(xiàn)在轉換結果中。此外，設置更容易受到耦合噪聲的影響。因此，信號源和ADC應保持靠近，以減輕這些影響。如果SAR ADC是單極性單端配置，則允許的信號擺幅介于地電位和正滿量程之間，通常由ADC基準輸入設置。單端單極性輸入的可視化表示如圖1所示。具有單端單極性輸入的器件包括AD7091R和AD7091R-8。

圖1.單極性單端。

如果SAR ADC是雙極性單端配置，則允許的信號擺幅介于正滿量程和負滿量程之間。同樣，滿量程通常由ADC基準輸入設置。單端雙極性輸入的可視化表示如圖2所示。具有單端雙極性輸入的器件是AD7656A-1。

圖2.雙極單端。

偽差速器

如果需要檢測信號接地或將相對測量結果與載流接地層去耦，信號鏈設計人員可能需要考慮改用偽差分輸入結構。偽差分器件本質上是具有接地檢測的單端ADC。該器件正在執(zhí)行差分測量，但檢測到的差分是相對于輸入信號接地電平測量的單端輸入信號。單端輸入被驅動到ADC的正輸入（IN+），輸入接地電平被驅動到ADC的負輸入（IN?）。需要注意的一點是，信號鏈設計人員必須注意負輸入的模擬輸入范圍。在某些情況下，與正輸入相比，負輸入引腳的輸入范圍有限。在這些情況下，正輸入可以在允許的輸入電壓范圍內自由擺動，而ADC的負輸入可能被限制在ADC地周圍的一些較小的±電壓范圍內。每個ADC輸入的允許輸入范圍可在數據手冊中找到。尋找名為絕對輸入電壓的規(guī)格，如圖3所示。

圖3.絕對輸入電壓示例。

如果IN?電壓范圍有限的偽差分器件（如AD7980）需要抑制大于絕對輸入電壓范圍的不需要的信號，則信號鏈設計人員可能需要考慮使用儀表放大器來消除這些較大的共模，然后再向ADC提供信號。偽差分有三種配置：單極、偽雙極和真雙極。ADI SAR ADC產品組合提供可提供每種配置的器件。在單極性偽差分設置中，單端單極性信號被驅動到ADC的正輸入端，信號源地被驅動到ADC負輸入端，如圖4所示。具有單極性偽差分輸入的器件示例包括AD7980和AD7988-5。

圖4.單極偽差分。

在偽雙極性設置中，單端單極性信號被驅動到ADC的正輸入端。但是，該輸入不是將信號源接地驅動到負ADC輸入，而是看到滿量程電壓的一半。在這種情況下，輸入范圍將被視為±V司 司長/2而不是 0 到 V司 司長.動態(tài)范圍沒有增加，單極性情況和偽雙極性情況之間的差異是正輸入的測量值。與單極性偽差分情況一樣，偽雙極性負輸入的輸入范圍有限。但是，現(xiàn)在它±一些關于V的電壓司 司長/2而不是地面。偽雙極性輸入范圍圖如圖5所示。在這種情況下，V關閉= V司 司長/2.具有偽雙極性輸入選項的器件示例是AD7689。

圖5.偽雙極。

偽差分真雙極性情況的工作方式與單極性偽差分情況非常相似，只是單端正ADC輸入可以在地電位以上和以下擺動。通常，峰峰值輸入范圍是基準電壓的兩倍或該比率的倍數。例如，如果基準電壓為5 V，則偽差分真雙極性器件可以接受±5 V范圍內的輸入。 圖6顯示了偽差分真雙極性輸入范圍圖。具有偽差分真雙極性輸入的器件示例是AD7606。

圖6.偽差分真雙極。

微分

與單端架構相比，偽差分架構的優(yōu)勢在于能夠抑制轉換系統(tǒng)中的某些擾動信號。但是，有一種架構可以提供相同的抑制優(yōu)勢，同時還可以增加系統(tǒng)的動態(tài)范圍。差分架構允許用戶最大化ADC的輸入范圍。與單端或偽差分方案相比，差分信號能夠在給定電源和基準電壓源設置下將輸入范圍加倍，動態(tài)范圍最多可增加6 dB，而不會增加器件功耗。

ADI提供兩種帶差分輸入的器件。這里介紹的第一種類型是差分反相。在這種情況下，ADC正在轉換ADC的正輸入和負輸入之間的差值，而正輸入和負輸入彼此擺動180°。通常，差分反相器件是單極的。因此，差分的每個支路將在地和正滿量程之間擺動，由基準輸入設置。由于差分的支腿異相180°，輸入的共模是固定的。就像偽差分器件一樣，差分反相器件可以限制其允許的共模輸入范圍。該范圍可在產品數據手冊的規(guī)格表中找到，如圖7所示。對于任一 ADC 輸入的絕對輸入范圍為 0 V 至正滿量程的器件，共模電壓為 V FS/2.在大多數情況下，對于高分辨率（16位或更高）差分反相SAR ADC，共模電壓范圍約為典型共模電壓±100 mV。

圖7.差分共模輸入范圍。

差分反相器件通常在需要絕對最佳性能時選擇。差分信號將提供最大的噪聲抑制，并且往往會抵消有序失真特性。如圖8所示，當差分支腿向相反方向擺動時，相對于單端和偽差分配置，動態(tài)范圍和SNR得到改善。

圖8.動態(tài)范圍因差分信號而增加。

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，可以使用單端轉差分放大器（如ADA4940-1或ADA4941-1）來正確調理輸入信號，并將共模與ADC的共模相匹配。與偽差分器件一樣，如果系統(tǒng)中存在較大的共模，則應使用儀表放大器來調理大部分共模。差分ADC可以處理共模下的細微變化，聚合信號鏈將具有出色的CMRR。圖9顯示了差分反相輸入范圍圖。具有差分反相輸入的器件示例包括AD7982、AD7989-5和AD7915。

圖9.差異反相。

共模范圍限制對于實現(xiàn)最佳性能且不會對轉換器動態(tài)范圍產生負面影響是必要的。在操作差分反相器件時，觀察到一些常見的錯誤會違反共模范圍。圖10顯示了在實現(xiàn)差分反相器件時經常產生的用戶誤差。在這種情況下，差分信號不是180°異相。因此，兩個ADC輸入引腳之間的共模變化很大，并且違反了在圖7約束下工作的器件的數據手冊。

圖 10.共模沖突。

其他常見的差分反相位誤差包括180°異相信號，但共模不正確，或者ADC的IN?引腳連接到直流基座電壓。在負ADC輸入端提供ADC電壓將很快違反共模范圍規(guī)范，并且還會消除差分信號的動態(tài)范圍優(yōu)勢。第二種類型的差分信號是測量任意兩個信號之間的差分，而不考慮共模。ADI提供一系列基于SAR ADC技術的集成數據采集解決方案，可測量全差分信號。對于正在尋找具有寬允許輸入共模范圍的集成數據采集解決方案的信號鏈設計人員，ADI提供了ADAS3022和ADAS3023。這些分別是雙極性順序和同步采樣數據采集系統(tǒng)，共模范圍寬至±10 V。在此范圍內，它們能夠表示任何兩個信號之間的差異。

模擬輸入類型會影響數字輸出編碼。具有單極性輸入范圍的轉換器（例如單端單極性和偽差分）將采用直接二進制編碼。

代碼0表示負滿量程輸入電壓，代碼2N ? 1（其中N是位數）表示正滿量程輸入。具有極性±輸入的設備將采用二進制補碼編碼，以便向用戶顯示符號位。極性±器件包括單端雙極性、偽差分雙極性、偽雙極性和所有差分器件。對于這些ADC，負滿量程輸入由代碼?2N ? 1表示，正滿量程輸入由代碼2N ? 1 ? 1表示。

SAR ADC是一種多功能、低功耗、高性能選項，用于創(chuàng)建模數轉換信號鏈。這些設備非常容易實現(xiàn)。但是，為了從系統(tǒng)中獲得所需的性能，必須做出某些體系結構選擇。本文重點介紹ADI公司SAR ADC產品組合中提供的模擬輸入類型選擇。每種輸入類型都有某些好處，必須與特定的權衡進行比較。如前所述，做出正確的選擇對于實現(xiàn)最佳性能至關重要。

審核編輯：郭婷