如何使用LTspice仿真SAR ADC的输入

由于ADC的分辨率和采样率继续上升，模拟输入的驱动器电路（而不是ADC本身）已经越来越成为确定总体电路精度的限制因素。 除了用于噪声输入信号的简单的1极RC低通滤波器（LPF1）（图1），通常在缓冲器和ADC输入端之间使用耦合RC滤波器网络（LPF2），以最大限度地减少ADC采样瞬变反射到缓冲器中的干扰。 模拟输入端的长RC时间常数可以缓解这些干扰的稳定。 因此，LPF2通常需要比LPF1更宽的带宽。 该滤波器还有助于最小化来自缓冲器的噪声贡献。

图1.模拟放大器和ADC之间的接口可以帮助确定噪声和稳定时间的中间值。

模拟放大器和ADC之间的接口在稳定时间和噪声性能之间呈现了一些有趣的折中。 实验这些模拟有助于开发一个直观的了解滤波器设计如何影响这些性能方面。

完全差分SAR ADC的模拟输入可以建模为图2中等效形式的驱动电路上的开关电容负载。显示的值来自LTC2378-20 20位，1Msps，低功耗SAR ADC，但可以 易于修改以代表其他ADC。 在采集阶段，每个输入的采样CDAC与采样开关的导通电阻40Ω（RON）串联，大约为45pF（CIN）。 在此阶段对CIN电容器充电时，输入电流尖峰。 在随后的转换阶段，模拟输入仅吸收较小的漏电流，电容器完全放电。 ADC模拟输入的建模突出了将放大器耦合到诸如LTC2378-20之类的SAR ADC的最大挑战之一; 处理每个采集阶段开始时由ADC输入引起的电流尖峰。

图2. SAR ADC的模拟输入的等效电路

该等效电路的仿真原理图如图3所示。低功耗LTC6362差分运放配置为将单端输入信号转换为全差分输出以驱动LTC2378-20。 为了简化仿真，不包括输入ESD保护二极管。 两个45pF输入电容器（C1和C2）通过电阻控制开关（S1和S2）进行充电，这些开关由具有40Ω导通电阻的SW模型语句定义。 这些开关由持续时间为312ns和1μs的脉冲电压源驱动，以模拟LTC2378-20 SAR ADC在1Msps的采集时间。 为了准备下一个采集阶段的采样电容器，使用理想的行为逆变器（A1）来接通放电电容器的第二组开关（S3和S4）。

图3. SAR ADC模拟输入等效电路的仿真原理图。

放大器和ADC之间的RC滤波器网络有几个目的。 首先，滤波器网络减少了进入ADC的宽带噪声量。 第二，电容器用作电荷储存器，以吸收ADC内部采样电容器的电荷反冲。 在每个转换周期之后，放电的采样电容（45pF）被重新连接到放大器电路。 通过在ADC输入端放置一个更大的储存电容，减少了由这些采样电容引起的电压偏移。 然而，宽带噪声和建立时间性能之间存在折衷。 当采样电容器连接到放大器电路（采集时间）时，RC网络应完全稳定在ADC的分辨率内。 在过滤器网络中使用太多的储层电容会增加超出可接受极限的稳定时间。 为了进一步讨论这个权衡，请观看Kris Lokere的“SAR ADC驱动程序接口”。