密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计.pdfVIP

精密SAR 模数转换器的 前端放大器和 RC 滤波 器设计 作者：Alan Walsh 逐次逼近型(SAR) ADC 提供高分辨率、出色的精度和低功耗特 性。一旦选定一款精密SAR ADC ，系统设计师就必须确定获 得最佳结果所需的支持电路。需要考虑的三个主要方面是：模 拟输入信号与ADC 接口的前端、基准电压源和数字接口。本 文将重点介绍前端设计的电路要求和权衡因素。关于其它方面 的有用信息，包括具体器件和系统信息，请参阅数据手册和本 图2. N 位ADC 的典型时序图 文的参考文献。 在给定输入频率下，一个正弦波信号的最大不失真变化率可通 前端包括两个部分：驱动放大器和RC 滤波器。放大器调节输 过下式计算： 入信号，同时充当信号源与ADC 输入端之间的低阻抗缓冲器。 RC 滤波器限制到达ADC 输入端的带外噪声，帮助衰减ADC 输入端中开关电容的反冲影响。 如果ADC 的转换速率大大超出最大输入频率，则转换期间输 入电压的最大变化量为： 为SAR ADC 选择合适的放大器和RC 滤波器可能很困难，特 别是当应用不同于ADC 数据手册的常规用途时。根据各种影 响放大器和RC 选择的应用因素，我们提供了设计指南，可实 现最佳解决方案。主要考虑因素包括：输入频率、吞吐速率和 这是容性DAC 切换回采集模式时出现的最大电压阶跃。然后， 输入复用。 DAC 电容与外部电容的并联组合会衰减此阶跃。因此，外部 选择合适的RC 滤波器 电容必须相对较大，达到几 nF 。此分析假设输入开关导通电 阻的影响可忽略不计。现在需要建立的阶跃大小为： 要选择合适的RC 滤波器，必须计算单通道或多路复用应用的 RC 带宽，然后选择R 和C 的值。 图 1 显示了一个典型的放大器、单极点 RC 滤波器和 ADC 。 ADC 输入构成驱动电路的开关电容负载。其 10 MHz 输入带宽 意味着需要在宽带宽内保证低噪声以获得良好的信噪比 接下来计算在ADC 采集阶段，ADC 输入建立至½ LSB 的时间 (SNR)。RC 网络限制输入信号的带宽，并降低放大器和上游电 常数。假设阶跃输入以指数方式建立，则所需RC 时间常数τ 路馈入ADC 的噪声量。不过，带宽限制过多会延长建立时间 为： 并使输入信号失真。 其中，tACQ 为采集时间，NTC 为建立所需的时间常数数目。所 需的时间常数数目可以通过计算阶跃大小V 与建立误差（本 STEP 例为½ LSB）之比的自然对数来获得： 图1. 典型放大器、RC 滤波器和ADC 在建立 ADC 输入和通过优化带宽限制噪声时所需的最小 RC 值，可以由假设通过指数方式建立阶跃输入来计算。要计算阶 因此， 跃大小，需要知道输入信号频率、幅度和ADC 转换时间。转 换时间 tCONV （图2 ）是指容性DAC 从输入端断开并执行位判 断以产生数字代码所需的时间。转换时间结束时，保存前一样 本电荷的容性DAC 切换回输入端。此阶跃变化代表输入信号 在这段时间的变化量。此阶跃建立所需的时间称为“ 反向建立 时间”。 Analog Dialogue 46-12, December (2012) /analogdialogue 1 将上式代入前面的公式可得：