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編者按：模數轉換器 (ADC) 將模擬世界連接到數字世界，因此是連接到現實(shí)世界的任何電子系統的基本部件。它們也是決定系統性能的關(guān)鍵因素。本系列文章探討 ADC 的基礎知識、各種 ADC 類(lèi)型及其應用。本文為本系列關(guān)于模擬基礎知識文章的第 1 部分，將討論逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。第 2 部分將討論三角積分 (ΔƩ) 轉換器。第 3 部分將探討流水線(xiàn) ADC。第 4 部分 將說(shuō)明三角積分 ADC 如何能夠產(chǎn)生超低噪音結果。第 5 部分 探討 SAR ADC 的輸入驅動(dòng)難題。 現在仍然是一個(gè)模擬世界，因此要讓感知的信息進(jìn)入數字領(lǐng)域，需要進(jìn)行某種轉換。這一重任就由模數轉換器 (ADC) 來(lái)完成。多年來(lái)，成功崛起的三種 ADC 拓撲結構是逐次逼近寄存器 (SAR)、三角積分 (S-D) 和流水線(xiàn) ADC。這三種 ADC 拓撲結構截然不同，以便在不同的頻率范圍內工作，服務(wù)于從低頻傳感器應用到更高頻率的 LiDAR 或衛星通信等所有領(lǐng)域。 SAR ADC 是第一種成為主流的轉換器。隨著(zhù)時(shí)間的推移，這種轉換器拓撲結構出現在各種應用中，包括過(guò)程控制、醫療和早期數字音頻系統。這些應用受益于 SAR ADC 的 8 位至 20 位輸出轉換范圍。但是，SAR ADC 賴(lài)以成名的原因是它會(huì )捕獲模擬輸入信號的快照，并使用多個(gè)信號快照來(lái)繪制一段時(shí)間內的圖像。 本文將簡(jiǎn)要介紹與 SAR ADC 密切相關(guān)的信號鏈。接下來(lái)，通過(guò)分析負責 ADC 快照操作的基本輸入級，深入研究該 ADC 拓撲結構。然后，本文將介紹 SAR ADC 示例解決方案——Analog Devices 的 AD7625BCPZ 和 AD4020BCPZ-RL7，著(zhù)重討論 ADC4020BCPZ-RL7 的內部模數轉換機制。另外，還提供了合適數據采集系統的關(guān)鍵規格。 SAR ADC 的模擬信號鏈 SAR ADC 常用于自動(dòng)測試設備、機器自動(dòng)化、醫療設備和精密數據采集等系統中。在所有 SAR ADC 應用中，都存在一個(gè)需要適度 8 至 20 位分辨率數字表示的模擬信號，并且采樣速率從接近 DC 到每秒 15 兆 (MSPS)（在撰寫(xiě)本文時(shí)）。 SAR ADC 能力強大，無(wú)需模擬前端 (AFE) 信號鏈即可工作。但是，如果設計人員的工作還包括在 SAR ADC 的前端成功呈現信號，則很有可能需要一定程度的信號調節（圖 1）。 
圖 1：該示例 SAR ADC 信號鏈包括 X 射線(xiàn)探測器、AFE、放大器驅動(dòng)器、Analog Device 的 AD7625BCPZ 6 MSPS 轉換器，以及用于獲得轉換結果的數字接收器 (FPGA)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 在圖中，X 射線(xiàn)源經(jīng)行李箱將信號發(fā)送到 x 射線(xiàn)探測器。X 射線(xiàn)設備的工作是在短時(shí)間內構建行李箱的完整圖像，以減少旅客的不滿(mǎn)。 前端獲取探測器信號并執行信號調節功能，例如模擬增益和電平位移。然后信號被提供給 SAR ADC，在本例中為 Analog Devices 的 AD7625BCPZ。 SAR ADC 之前的放大器提供適當的穩定功能，在放大器與 SAR ADC 之間通常有一個(gè)一階低通濾波器。該 SAR ADC 能夠以高達 6 MSPS 的速度采樣（每 167 納秒 [ns] 采樣一次），可以在短時(shí)間內獲得多個(gè)快照。 SAR ADC 輸入級的核心已簡(jiǎn)化 隨著(zhù)時(shí)間的推移，SAR ADC 經(jīng)歷了許多增強和改進(jìn)，但在所有情況下，轉換期間的主要活動(dòng)都是電荷再分配，這是逐次逼近 ADC 最常見(jiàn)的實(shí)現形式之一。此外，與 S-D 和流水線(xiàn)轉換器不同，SAR ADC 還具有零延遲優(yōu)勢。 在最簡(jiǎn)單的層面上，很容易看到信號快照發(fā)生的位置。SAR ADC 輸入核心包含輸入信號采集開(kāi)關(guān) (S1)、電容陣列、轉換開(kāi)關(guān) (SC) 和內部基準電壓 (½ VREF)（圖 2）。
圖 2：驅動(dòng) SAR ADC 的運算放大器 (op amp)，帶有輸出穩定濾波器。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） SAR ADC 核心的工作方式如下： 1、S1 打開(kāi)，SC 關(guān)閉：斷開(kāi)輸入級與模擬信號源的連接。 2、C 上的電荷通過(guò) ½ VREF 重新校準。這種重新校準使 SAR ADC 清零。 3、然后，S1 關(guān)閉，SC 打開(kāi)：現在，該設備已連接到輸入模擬信號。 4、SAR ADC 在預定的采集時(shí)間內采集輸入信號 VS。此采集時(shí)間可產(chǎn)生 S1 和 SC 開(kāi)關(guān)噪聲，以及放大器突然暴露于電容加載和開(kāi)關(guān)噪聲。 5、然后，S1 打開(kāi)：這是發(fā)生信號快照的確切實(shí)例。 6、SAR ADC 將 VC 處的信號轉換為數字表示。執行此操作花費的時(shí)間就是“轉換時(shí)間”。 SAR ADC 輸入級的核心詳細信息 轉換核心可對在 VC 處所采集信號進(jìn)行電荷再分配。轉換器電荷再分配的協(xié)調發(fā)生在核心中，由時(shí)鐘進(jìn)行門(mén)控。通過(guò)此過(guò)程，每個(gè)時(shí)鐘控制的數字輸出代碼會(huì )到達 SAR ADC 的 DOUT 輸出（圖 3）。
圖 3：4 位 SAR ADC 光幕具有完整的數字加權電容陣列：16C、8C、4C、2C 和兩個(gè) C。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 在轉換過(guò)程中，SAR ADC 算法首先會(huì )確定最高有效位 (MSB)。SAR ADC 通過(guò)在 V- 和 VREF 比較器輸入之間切換 16C 電容器的底部，開(kāi)始測試與 ½ VREF 相比的信號幅度。在 SAR ADC 轉換線(xiàn)中，下一個(gè)比較是針對 ½ VREF 測試 8C（未顯示），然后是 4C 測試，等等。 SAR ADC 輸出轉換詳細信息 MSB 決策會(huì )立即通過(guò) DOUT 引腳發(fā)送，而在進(jìn)行 MSB 1 決策時(shí)，MSB 開(kāi)關(guān)會(huì )保持凍結狀態(tài)。SAR ADC 會(huì )一直執行此算法，直到最終選擇最低有效位 (LSB)（圖 4）。
圖 4：4 位 SAR ADC 通過(guò)位決策對轉換算法進(jìn)行時(shí)鐘控制，并通過(guò) DOUT 引腳發(fā)送這些決策（如圖 3 所示）。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 在圖 4 中，SAR ADC 時(shí)鐘控制的位決策順序是從 MSB 一直到 LSB。所有轉換數據在時(shí)鐘控制下繼續通過(guò)圖 3 右上角的 DOUT 立即輸出。完整的吞吐時(shí)間通常需要足夠的時(shí)間來(lái)采集信號，并且每個(gè)位需要一個(gè)時(shí)鐘周期。 SAR ADC 轉換挑戰 設計人員必須了解信號的建立時(shí)間量，以確保從轉換中捕獲正確的模擬值（圖 5）。
圖 5：12 位 SAR DAC 的轉換時(shí)序示意圖。每次完整的轉換需要 16 個(gè)時(shí)鐘。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 在圖 5 中，輸入信號 VC 在轉換器輸入開(kāi)關(guān)打開(kāi)之前未達到最終所需電壓。出現這種情況是因為電路設計人員錯誤地計算了放大器輸入信號的建立時(shí)間。 AD4020BCPZ-RL7 20 位 1.8 MSPS SAR ADC 通過(guò)延長(cháng)采集相位的同時(shí)仍保持吞吐率，降低了信號采集的復雜性。它具有 100.5 dB 的低信噪比 (SNR)。 SAR AD 傳遞函數 ADC 的可能代碼數等于 2N，其中 N 是位數。例如，4 位轉換器具有 24 或 16 個(gè)單獨的可用代碼（圖 6）。
圖 6：理想 4 位 SAR AD 的傳遞函數或數字輸出代碼與模擬輸入電壓的關(guān)系圖，應為一條直線(xiàn)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics） 繪制圖像 SAR ADC 的吞吐率包括采集時(shí)間和轉換時(shí)間，以讓 Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL7 在 20 位分辨率下的吞吐率高達 1.8 MSPS。利用 AD4020BCPZ-RL7 吞吐速度，可以獲取多個(gè)快照并創(chuàng )建用于機器自動(dòng)化和醫療設備的數字圖片渲染解決方案。 總結 從過(guò)程控制到醫療和消費類(lèi)應用，SAR ADC 憑借獲取信號快照的能力及不斷提高的分辨率和速度，持續證明其價(jià)值。目前的 SAR ADC 具有 8 到 20 位的分辨率，吞吐率高達 15 MSPS。Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL 就是一個(gè)例子，其具有低噪聲、高速、20 位、1.8 MSPS 的精度。但是，SAR ADC 轉換器架構的發(fā)展還未結束。未來(lái)還會(huì )有更多產(chǎn)品。 來(lái)源：Digi-Key |
