了解PulSAR ADC支持电路

Martin Murnane and Chris Augusta

逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）使用各种新技术来提高分辨率。了解这些设备的工作原理对于防止故障和错误问题非常重要。本应用笔记主要讨论了使用SAR ADC时经常出现的陷阱，更重要的是，如何轻松防止这些陷阱。

PulSAR是如何工作的？

ADI公司的PulSAR系列ADC采用内部开关电容技术，将SAR ADC的分辨率提高到18位。这意味着在CMOS工艺上，不需要昂贵的薄膜激光修整。®

AD7643的简化输入级如图1所示。AD7643是一款18位ADC，能够转换1.25 MSPS，基于电荷再分配数模转换器（DAC），该转换器在新型SAR ADC中很常用。SAR算法分为两个阶段来确定ADC输出代码。第一阶段是采集阶段，SW+和SW−最初是封闭的。所有开关都连接到IN+和IN−模拟输入，因此每个电容用作采样电容，在输入端采集模拟信号。第二阶段是转换阶段，SW+ 和 SW− 打开。输入与内部电容断开，并施加于比较器输入。这会导致比较器不稳定。在不详细说明SAR算法的情况下，从MSB开始在REF和REFGND之间切换阵列的每个元件，使比较器恢复平衡状态，从而生成代表模拟输入信号的输出代码。

图1.AD7643简化原理图

参考

在分析图1的参考部分时，重点关注使用PulSAR ADC设计电路时可能发现的陷阱，请注意，在计算输出代码时，输入与ADC的内部断开。这一点很重要。这意味着转换阶段输入端（IN+和IN−）上出现的任何噪声都不会影响生成的输出代码。

在转换阶段，REF引脚连接到内部开关电容结构，因为基准输入端没有采样保持电路。这里（在转换阶段）发生的任何噪声都会直接影响输出代码。如果其中一个位设置不正确，例如，如果位6设置为1，而它本应为0，由于该位试验期间噪声增加，则以下所有位都将设置为1，以尝试将DAC输出降低到正确的值。因此，计算出不正确的输出，并导致输出代码的低1位上出现一系列6，通常称为卡住位。为了避免卡住位，非常稳定的基准电压源至关重要。

可以使用什么类型的精度参考？

PulSAR数据手册的规格部分出现的一个误解是外部基准和电流消耗。通常，对于低通量PulSAR （AD7685 @ 250 kSPS），该值范围为几十 μA，对于更快的吞吐速率PulSAR （AD7621 @ 3 MSPS），该值可能高达几百 μA。这是转换器输入驱动时的平均电流，使得基准驱动电路提供ADC所需的最大电流。这可以是−FS或+FS，具体取决于ADC。实际上，任何基准电压源都可以提供几百μA的电流，但这些在PulSAR高分辨率转换器中是不切实际的。

低功耗基准电压源（ADR12x、ADR36x）

低功耗基准电压源通常是不可接受的，因为它们通常缺乏在较重的加权、最高有效位（MSB）决策期间建立的能力。这些基准电压源的输出阻抗通常大于缓冲基准电压源，如AD780、ADR43x和ADR44x基准电压源。基准电压源电路的动态原理基本上是一个RLC谐振电路，其中R是ADC内部（某些串联开关电阻），C是基准存储或去耦电容，L是基准电压源本身的电感。PulSAR ADC的设计人员根据精密基准电压源（如AD780）中的L概念，选择了一组特定的R和C来配合使用。使用这些值使得系统在激励时受到严重阻尼（这种激励发生在位决策过程中）。使用电感高得多（100×或高于良好缓冲基准）的低功耗基准会导致RLC电路欠阻尼，并导致卡住位的行为，如前所述。

一些低功耗基准电压源的行为如图2至图7所示。请注意，在这些图中，术语突发模式是指转换控制信号处于非活动状态的模式，直到采集 8192 个样本的瞬间。这是对基准电压源最差的要求，因为当ADC不转换时，基准电压源没有动态。AD7686采用16位、500 kSPS PulSAR开发图2至图7中的数据。

传统上，直流测量绘制在数据直方图中，这对于显示代码转换（或转换噪声）和峰峰值噪声非常有意义。然而，图2和图3显示在时域中，以证明在动态SAR转换期间被测基准电压源无法建立的理论。

图2.突发模式—ADR121、C裁判= 22 μF， AD7686 @ 500 kSPS.

图3.连续模式—ADR121、C裁判= 22 μF， AD7686 @ 500 kSPS.

图2显示了突发工作模式下欠阻尼RLC电路的典型示例。图3显示了连续模式，如这两个图所示，该基准电压源从未完全稳定到16位性能。在连续模式下，峰峰值输出代码仍偏离AD16数据手册中规定的性能的~4个计数或~7686×。

图4显示了使用ADR7686的AD365的性能。突发模式或连续模式之间没有真正的区别，使用此参考，它也永远不会完全稳定在 16 位级别。峰峰值输出代码也比AD4的额定性能高~7686×。

图4.ADR365， C裁判= 22 μF， AD7686 @ 500 kSPS.

缓冲引用

使用合适的放大器（如AD8031或AD8605）缓冲几乎任何基准电压源，可提供足够的驱动能力，因为动态现在存在于更高带宽放大器的输出端。图5显示了ADR365的输出，该输出由AD8031放大器缓冲，并作为AD7686的基准电压源进行测试。

图5.突发模式—ADR365、C裁判= 22 μF， AD7686 @ 500 kSPS.

缓冲外部基准电压源会引发原来的电源要求问题。使用具有足够驱动力的良好基准电压源（例如AD780、ADR43x或ADR44x）是一种更简单的解决方案。在这种情况下，可以使用任何低功耗基准电压源，因为这些缓冲器（通常）具有低串联电感。这在多转换器系统中非常有用，因为一个缓冲器可用于驱动多个PulSAR ADC。此外，在多转换器应用中，最佳方法是对基准走线使用星形配置，每个转换器使用自己的基准存储电容。不建议从组中的第一个ADC进行菊花链连接，因为ADC基准电压源可能存在串扰。

低功耗基准电压源（<10 kSPS 吞吐量）

在低功耗、吞吐量较慢的应用中（例如必须使用低功耗基准电压源的10 kSPS或更低），可以在基准电压源至ADC的输出之间使用一个小串联电阻，例如10 Ω可能适合。在突发工作模式下，当该电阻两端的电流稳定下来时，可能需要放弃前几次转换。为了提高吞吐量，通常无法完成突发转换，因为丢弃的转换过多。此外，当流经电阻的电流增加到稳态值时，该电阻两端的压降可视为时域中的斜率。这通常称为参考下垂。

图6显示了在20 kSPS的更快应用中使用500 Ω串联电阻时的基准电压骤降问题。请注意前几百次转换的阻尼不足情况，以及随着样本的增加而出现的轻微负斜率。

图6.突发模式—ADR365、C裁判= 22 μF，R 系列 = 20 Ω，AD7686 @ 500 kSPS。

图 7 显示了 10 kSPS 的较慢吞吐量。不存在欠阻尼问题，峰峰值噪声为7686个计数，性能几乎与AD<>相似。

图7.突发模式—ADR365、C裁判= 22 μF，R 系列 = 20 Ω，AD7686 @ 10 kSPS。

为什么要使用大型去耦电容器？

既然已经选择了合适的基准电压源（或合适的基准电压源和缓冲电路），缓冲器（运放）数据手册建议避免使用重容性负载。但是，PulSAR ADC需要一个10 μF或更大的基准去耦电容（REF CAP）。这两个要求乍一看似乎相互矛盾。

术语去耦具有不同的含义，特别是当用户注意到PulSAR ADC的基准（REF）引脚和电源（VDD、AVDD、DVDD、VIO、OVDD）上的其他10 μF电容上的值为10 μF时。REF上的电容不是旁路电容，它是SAR ADC的一部分，根本无法安装在硅片上。在位决策过程中，由于位在10纳秒或更快的时间内建立，因此此处显示存储电容（REF CAP，见图8）以补充平衡比较器与内部电容阵列上的电荷所需的内部CDAC电荷。随着二进制位加权过程的进行，从该电容器中获取小块电荷。当然，内部电容阵列的尺寸只是其一小部分（~15 pF至60 pF，取决于ADC），但需要这些较大值的存储电容来满足SAR位决策建立时间。关于在电荷的位决策过程中会发生什么，有一些复杂的细节，但这超出了本应用笔记的范围。

图8.基准电容与SAR ADC位于同一侧或PCB背面。

存储电容器不足也会导致卡住位。电容器的位置和类型也很重要。需要一个低等效串联电阻（ESR）电容以避免基准电压骤降。近年来，非常好的陶瓷X5R电介质电容器在10外壳尺寸中具有0603μF值。对于许多PulSAR ADC，基准电容值可能会随着性能下降而降低，即在DNL中。

布局

建议在ADC的基准引脚上直接放置一个电容。建议这样做以消除开关电容瞬变。需要高质量的电容器（例如，钽或X5R型陶瓷;不建议使用NPO）。由于这是电荷存储电容器而不是旁路电容器，因此可以使用4.7 μF至~22 μF范围内的值。请注意，某些数据手册中规定了导通建立时间，其中在REF引脚上使用特定的基准电容值。有关信息，请参阅相关 PulSAR 数据表的规格部分。

在布局开始时，考虑采用SAR ADC器件的PCB布局，并考虑在ADC基准引脚上放置一个电容。首先将电容靠近这些引脚放置，然后将基准电压源靠近电容放置，然后靠近放大器放置（见图8）。

布局中还需要粗走线，以降低电路中的任何阻抗。ADC基准输入的动态输入阻抗意味着该引脚的输入必须由低阻抗源驱动。注意，如果基准电压源缓冲进入REF引脚，则缓冲器输出阻抗必须很低。这也适用于模拟输入引脚。

放大器选择

大多数PulSAR数据手册都详细介绍了放大器。需要注意的一些主要问题是低噪声水平和低输出阻抗。输入信号建立时间也是一个重要参数，因此放大器需要高压摆率性能。适合此选择的一些放大器如下：ADA4841-1、AD8021、ADA4899-1、AD8099和ADA4941-1。

ADA4841-1和AD8021是具有PulSAR ADC、高带宽和良好压摆率的ADC驱动器的绝佳选择。ADA4899-1也是一款不错的选择，具有出色的压摆率和良好的带宽，但消耗更多电流会增加费用。还有其他选项可能适合各种应用，例如AD8099，由于噪声密度非常低，它可能适合18位ADC应用。但是，该器件的单位增益不稳定，尽管可以配置为稳定，但它是16 mA的高电流消耗者。但是，它确实具有DISABLED功能，可用于降低便携式应用的电流消耗。这也是单差分应用的另一种选择，例如PulSAR 18位ADC，输入范围为5 V。

结论

了解SAR ADC的工作原理对于理解新设计的缺陷非常重要。本应用笔记中列出的这些陷阱是新设计中常见的问题。

审核编辑：郭婷