话说ADC之一 | 会捕获模拟信号“快照”的模数转换器

作者： Digi-Key北美编辑

关键词：信号，工作原理

【导语】模数转换器 (ADC) 将模拟世界连接到数字世界，因此是连接到现实世界的任何电子系统的基本部件。它们也是决定系统性能的关键因素。本文章探讨ADC的基础知识、各种ADC类型及其应用。

现在仍然是一个模拟世界，因此要让感知的信息进入数字领域，需要进行某种转换。这一重任就由模数转换器 (ADC) 来完成。多年来，成功崛起的三种ADC拓扑结构是逐次逼近寄存器 (SAR)、三角积分 (S-D) 和流水线ADC。这三种ADC拓扑结构截然不同，以便在不同的频率范围内工作，服务于从低频传感器应用到更高频率的LiDAR或卫星通信等所有领域。

SAR ADC是第一种成为主流的转换器。随着时间的推移，这种转换器拓扑结构出现在各种应用中，包括过程控制、医疗和早期数字音频系统。这些应用受益于SAR ADC的8位至20位输出转换范围。但是，SAR ADC赖以成名的原因是它会捕获模拟输入信号的快照，并使用多个信号快照来绘制一段时间内的图像。

本文将简要介绍与SAR ADC密切相关的信号链。接下来，通过分析负责ADC快照操作的基本输入级，深入研究该ADC拓扑结构。然后，本文将介绍SAR ADC示例解决方案——Analog Devices的AD7625BCPZ和AD4020BCPZ-RL7，着重讨论ADC4020BCPZ-RL7的内部模数转换机制。另外，还提供了合适数据采集系统的关键规格。

SAR ADC的模拟信号链

SAR ADC常用于自动测试设备、机器自动化、医疗设备和精密数据采集等系统中。在所有SAR ADC应用中，都存在一个需要适度8至20位分辨率数字表示的模拟信号，并且采样速率从接近DC到每秒15兆 (MSPS)（在撰写本文时）。

SAR ADC能力强大，无需模拟前端 (AFE) 信号链即可工作。但是，如果设计人员的工作还包括在SAR ADC的前端成功呈现信号，则很有可能需要一定程度的信号调节（图1）。

在图中，X射线源经行李箱将信号发送到X射线探测器。X射线设备的工作是在短时间内构建行李箱的完整图像，以减少旅客的不满。

前端获取探测器信号并执行信号调节功能，例如模拟增益和电平位移。然后信号被提供给 SAR ADC，在本例中为Analog Devices的AD7625BCPZ。

SAR ADC之前的放大器提供适当的稳定功能，在放大器与SAR ADC之间通常有一个一阶低通滤波器。该SAR ADC能够以高达6 MSPS的速度采样（每167纳秒 [ns] 采样一次），可以在短时间内获得多个快照。

SAR ADC输入级的核心已简化

随着时间的推移，SAR ADC经历了许多增强和改进，但在所有情况下，转换期间的主要活动都是电荷再分配，这是逐次逼近ADC最常见的实现形式之一。此外，与S-D和流水线转换器不同，SAR ADC还具有零延迟优势。

在最简单的层面上，很容易看到信号快照发生的位置。SAR ADC输入核心包含输入信号采集开关 (S1)、电容阵列、转换开关 (SC) 和内部基准电压 (½ VREF)（图2）。

SAR ADC核心的工作方式如下：

1. S₁打开，S_C关闭：断开输入级与模拟信号源的连接。
2. C上的电荷通过½ V_REF重新校准。这种重新校准使SAR ADC清零。
3. 然后，S₁关闭，S_C打开：现在，该设备已连接到输入模拟信号。
4. SAR ADC在预定的采集时间内采集输入信号V_S。此采集时间可产生S₁和S_C开关噪声，以及放大器突然暴露于电容加载和开关噪声。
5. 然后，S₁打开：这是发生信号快照的确切实例。
6. SAR ADC将V_C处的信号转换为数字表示。执行此操作花费的时间就是“转换时间”。

SAR ADC输入级的核心详细信息

转换核心可对在V_C处所采集信号进行电荷再分配。转换器电荷再分配的协调发生在核心中，由时钟进行门控。通过此过程，每个时钟控制的数字输出代码会到达SAR ADC的DOUT输出（图3）。

在转换过程中，SAR ADC算法首先会确定最高有效位 (MSB)。SAR ADC通过在V_–和V_REF比较器输入之间切换16C电容器的底部，开始测试与½ V_REF相比的信号幅度。在SAR ADC转换线中，下一个比较是针对½ V_REF测试8C（未显示），然后是4C测试，等等。

SAR ADC输出转换详细信息

MSB决策会立即通过DOUT引脚发送，而在进行MSB 1决策时，MSB开关会保持冻结状态。SAR ADC会一直执行此算法，直到最终选择最低有效位 (LSB)（图4）。

在图4中，SAR ADC时钟控制的位决策顺序是从MSB一直到LSB。所有转换数据在时钟控制下继续通过图3右上角的DOUT立即输出。完整的吞吐时间通常需要足够的时间来采集信号，并且每个位需要一个时钟周期。

SAR ADC转换挑战

设计人员必须了解信号的建立时间量，以确保从转换中捕获正确的模拟值（图5）。

在图5中，输入信号V_C在转换器输入开关打开之前未达到最终所需电压。出现这种情况是因为电路设计人员错误地计算了放大器输入信号的建立时间。

AD4020BCPZ-RL7 20位1.8MSPS SAR ADC通过延长采集相位的同时仍保持吞吐率，降低了信号采集的复杂性。它具有100.5dB的低信噪比 (SNR)。

SAR AD传递函数

ADC的可能代码数等于2N，其中N是位数。例如，4位转换器具有24或16个单独的可用代码（图6）。

绘制图像

SAR ADC的吞吐率包括采集时间和转换时间，以让Analog Devices的AD4020BCPZ-RL7 在20位分辨率下的吞吐率高达1.8MSPS。利用AD4020BCPZ-RL7吞吐速度，可以获取多个快照并创建用于机器自动化和医疗设备的数字图片渲染解决方案。

总结

从过程控制到医疗和消费类应用，SAR ADC凭借获取信号快照的能力及不断提高的分辨率和速度，持续证明其价值。目前的SAR ADC具有8到20位的分辨率，吞吐率高达15MSPS。Analog Devices的AD4020BCPZ-RL就是一个例子，其具有低噪声、高速、20位、1.8MSPS的精度。但是，SAR ADC转换器架构的发展还未结束。未来还会有更多产品。

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