Ryan Curran 應(yīng)用工程師， ADI公司 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器又稱SAR ADC，是通用級(jí)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(shí)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(duì)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(shí)，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(hào)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(hào)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(jiǎn)單的解決方案是匹配ADC輸入類型與信號(hào)源輸出配置。不過，源信號(hào)可能需要改變信號(hào)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(jiǎn)單的模擬輸入類型是單端輸入。此時(shí)，信號(hào)從來源到達(dá)ADC僅需要一條線路。這種情況下將使用單個(gè)輸入引腳，無信號(hào)源直接返回或感測(cè)路徑。相對(duì)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(jiǎn)單是其優(yōu)點(diǎn)。信號(hào)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(shí)降低總信號(hào)鏈的功耗。當(dāng)然簡(jiǎn)單也可能有代價(jià)。單端設(shè)置不會(huì)抑制信號(hào)鏈內(nèi)的直流失調(diào)。單端系統(tǒng)需要相對(duì)于載流地層執(zhí)行測(cè)量，信號(hào)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(hào)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(hào)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。單端單極性輸入的直觀表示可參見圖1。采用單端單極性輸入的器件有AD7091R和AD7091R-8。 圖1. 單端單極性 如果SAR ADC是雙極性單端配置，容許信號(hào)擺幅介于對(duì)地正滿量程與負(fù)滿量程之間。同樣，滿量程通常由ADC基準(zhǔn)電壓輸入設(shè)置。單端雙極性輸入的直觀表示可參見圖2。采用單端雙極性輸入的器件有AD7656A-1。 圖2. 單端雙極性。 偽差分 如果需要感測(cè)信號(hào)地或從載流地層解耦相對(duì)測(cè)量結(jié)果，信號(hào)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(cè)量，但檢測(cè)的差分電壓是相對(duì)于輸入信號(hào)接地電平測(cè)量的單端輸入信號(hào)。單端輸入被驅(qū)動(dòng)至ADC的正輸入端(IN )，輸入接地電平被驅(qū)動(dòng)至ADC的負(fù)輸入端(IN–)。需要注意的是，信號(hào)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(duì)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(dòng)，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(gè)ADC輸入的容許輸入范圍可在數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。參見圖3中的“絕對(duì)輸入電壓”規(guī)格表。 圖3. 絕對(duì)輸入電壓示例。 如果具有有限IN–電壓范圍的偽差分器件（比如AD7980）需要抑制大于絕對(duì)輸入電壓范圍的干擾信號(hào)，信號(hào)鏈設(shè)計(jì)人員可能需要考慮儀表放大器，以在信號(hào)到達(dá)ADC前消除較大的共模。有三種偽差分配置：?jiǎn)螛O性、偽雙極性及真雙極性。ADI SAR ADC產(chǎn)品組合提供采用以上每一種配置的器件。在單極性偽差分設(shè)置中，單端單極性信號(hào)被驅(qū)動(dòng)至ADC的正輸入端，信號(hào)源地被驅(qū)動(dòng)至負(fù)ADC輸入端，如圖4所示。采用單極性偽差分輸入的器件有AD7980和AD7988-5。 圖4. 單極性偽差分。 在偽雙極性設(shè)置中，單端單極性信號(hào)被驅(qū)動(dòng)至ADC的正輸入端。然而，信號(hào)源地未被驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)量正輸入所依靠的相對(duì)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(shí)電壓將在VFS/2而非接地左右變化。圖5是偽雙極性輸入范圍圖。本例中，VOFF = VFS/2。提供偽雙極性輸入選項(xiàng)的器件有AD7689。 圖5. 偽雙極性。 偽差分真雙極性情況與單極性偽差分情況很相似，只不過單端正ADC輸入可在低電壓上下擺動(dòng)。通常，峰峰值輸入范圍是基準(zhǔn)電壓的兩倍或此比例的倍數(shù)。例如，如果基準(zhǔn)電壓為5 V，那么偽差分真雙極性器件可接受±5 V范圍內(nèi)的輸入。圖6顯示偽差分真雙極性輸入范圍圖。提供偽差分真雙極性輸入的器件有AD7606。 圖6. 偽差分真雙極性。 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(dòng)信號(hào)。不過，存在可提供相同抑制優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也增加系統(tǒng)動(dòng)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(hào)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(dòng)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(shí)正負(fù)輸入彼此180°反相擺動(dòng)。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(dòng)。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(cè)的規(guī)格表中找到。如下圖7所示。對(duì)于ADC輸入的絕對(duì)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(duì)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(duì)最佳性能時(shí)，通常選擇差分反相器件。差分信號(hào)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(dòng)，動(dòng)態(tài)范圍和SNR相對(duì)于單端和偽差分配置有所改善。 圖7. 差分共模輸入范圍。圖8. 差分信號(hào)帶來的動(dòng)態(tài)范圍增加。 如果需要在信號(hào)源為單端的信號(hào)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(hào)，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(hào)鏈具有極佳的CMRR。圖9顯示了差分反相輸入范圍圖。采用差分反相輸入的器件有AD7982、AD7989-5以及AD7915。 圖9. 差分反相。 共模范圍限制是實(shí)現(xiàn)最佳性能和避免影響轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍所必需的。使用差分反相器件時(shí)有一些常見錯(cuò)誤，可能違反共模范圍。圖10顯示了實(shí)施差分反相器件時(shí)常發(fā)生的用戶錯(cuò)誤。此情形中，差分信號(hào)非180°反相。因此，共模在兩個(gè)ADC輸入引腳間劇烈變化，違反在圖7限制下工作的器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。 圖10. 違反共模。 另一個(gè)常見的差分反相失誤是180°反相、但共模不當(dāng)?shù)男盘?hào)，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(huì)違反共模范圍規(guī)格，同時(shí)消除差分信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)勢(shì)。第二種差分信號(hào)是測(cè)量任意兩個(gè)信號(hào)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(cè)量全差分信號(hào)。對(duì)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(hào)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(gè)信號(hào)間的差異。 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。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(hào)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(duì)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。 SAR ADC是創(chuàng)建模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)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(shì)，同時(shí)必須做出特定權(quán)衡。如上所述，正確的選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。 有關(guān)選擇正確驅(qū)動(dòng)器放大器配置的信息，請(qǐng)參閱以下鏈接：驅(qū)動(dòng)單極性精密ADC的單/雙通道放大器配置。有關(guān)為既定應(yīng)用正確選擇ADC驅(qū)動(dòng)器的信息，請(qǐng)參閱以下鏈接：精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì)。 作者簡(jiǎn)介 Ryan Curran [] 是ADI公司精密轉(zhuǎn)換器業(yè)務(wù)部門的一名產(chǎn)品應(yīng)用工程師。自2005年加盟ADI以來，他一直主要從事SAR ADC方面工作。Ryan獲緬因大學(xué)歐洛諾電子工程學(xué)士學(xué)位，目前在阿默斯特馬薩諸塞大學(xué)伊森伯格管理學(xué)院攻讀工商管理碩士學(xué)位。 (mbbeetchina)