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5.1 SAR ADC及其器件选型

hello,大家好 欢迎来到 TI Precision LAB 网络培训课程 本次课程主要涵盖 SAR ADC 及其相关元器件的选型 及其相关元器件的选型 本课程的主要目的是针对 SAR ADC 如何选择合适的放大器 及其外部的 RC 滤波器 本课程也同时展示了 如何使用 TINA SPICE 的仿真模型 来验证和优化系统性能 本视频将以简单介绍 SAR ADC 的 运行原理来开始 接下来将会提供如何使用 TI 的仿真工具 来找到针对你的应用所合适的 ADC 最后将介绍如何使用计算工具 来发现外部放大器和 RC 滤波器的值 这些值将在后续的视频中被使用 这一页展示了本次课程所有的部分 我们将在多个视频中所涵盖到 首先我们将介绍 SAR ADC 的基本运行原理 SAR ADC 的转换周期 可以分为两个不同的阶段 采样阶段和转换阶段 采样阶段是为了让 ADC 内部的 采样保持电路的电容 得以充电到外部放大器的输出电压 在实践过程中 ADC 采保电容充电后的电压误差 要小于 1/2 的 LSB 这是必须的 还更低的电压误差 也不会提高 ADC 的精度 这是由于量化噪声的存在 开关 S1 在采样阶段开始时闭合 采样阶段结束时打开 采样时间可以非常短 这取决于转换速率 例如 1M 采样率的 ADC 采样阶段可能是300个纳秒 由于采样时间非常短 使用更宽带宽的放大器 来实现更高精度的是有必要的 另外选择正确的外部 RC 电路 也是有重要的意义 这一页主要介绍的是转换阶段 在转换阶段开始时 开关 S1 断开 放大器的输出电压将被储存在采保电容里 在这个 case 中 我们可以看到采保电容上有 2.6V 的电压 这也就是运放的输出电压 转换阶段将对每一位做比较 这里用一个 5Bit 的ADC为例 从最高有效位到最低有效位 一共做五次的比较 我们可以看到这是第一次的比较结果 DAC 将给比较器的输出端一个电压 这个电压是参考电压的一半 在这个 case 里就是 2.048V 比较器的另一端接采保电容的电压计 2.6V 由于采保电压大于 DAC 的电压 所以比较器的输出为 1 那么最高有效位电压将保持导通 在接下来的 DAC 输出中将包含这个值 那在接下来的比较中 DAC 的输出将会再加 1/4 的参考电压 达到 3.072V 这将大于输入的 2.6V 的电压 所以比较器的输出为零 这一比特将不计在下面的测试中 同样的 DAC 的输出将再加 1/8 的参考电压 其输出电压为2 .56V 这个电压小于输入电压 所以比较器的输出为 1 这个比特将保持导通 并且包含在下面的测试中 最低有效位完成后可以看到 这一位将是零 通过测试 最后的结果将储存在结果寄存器中 转换阶段 最后一步就是闭合 S2 来复位采保电容 本次视频总体的目标就是提供一套 设计方法来实现 SAR ADC 外部运放 和 RC 滤波电路的选型 对于 RC 电路 我们既要选择合适的 RC 值 来满足调整率的精度 又要保证运放的稳定性 大的电容将提供快速的电荷充电 给内部的采保电容 在采样阶段开始时 而电阻则有利于维持运放的稳定性 那是否有可能不要外部的 RC 电路 直接驱动 SAR ADC 为什么我们不能忽略外部的 RC 电路 这个例子就很好地展示了 两个相同的 ADC 被不同的放大器来驱动 两种配置都有很好的调整性能 但是上面的电路没有 RC 但要求运放的带宽为 130MHz 下面的电路有 RC 电路 只需要 20MHz 带宽的运放 RC 电路的目的就是通过外部电容 给内部的采保电容充电 来实现快速的调整率 总的来说 如果有可能调整时间允许的话 建议低带宽的运放 因为低带宽的运放有较低的静态电流 和失调电压 偏置电流 较低的成本 更好的稳定性 最后 RC 电路还可以对噪声进行一定的抑制 第二步是关于如何找到合适的数据转换器 那以这个例子 右下角给出了我们的设计目标 16Bit 的分辨率 100k 到 1M 的采样率 单端 5V 输入,SPI 接口 如何在上百种 ADC 中找到合适的一款 这里将介绍如何使用 TI 的参数搜索 来找到合适的 ADC 首先在 TI 的主页上 产品目录里点击 data converter 接下来在 data converter 里 会出现 Precision ADC 我们可以看到有 535 种选择 那这里我们需要输入 16Bit 的分辨率 以及 100k 到 1M 的采样率 通过这些选项 我们可以把备选方案缩小到 71 个 接下来选择单通道单端输入 5V 最大输入电压 以及 SPI 接口 这样选项就只剩下四个 在这四个里面 我们选择采用率最高的 ADS8860 这里主要最主要的就是通过参数搜索 可以快速找到你所需要的方案 第三步是关于如何使用软件工具 设计外部的放大器和 RC 滤波器的参数 首先 这里总结和定义了所需的一些参数 FSR 是满量程 指的是有效的输入电压范围 一般就是参考电压或者参考电压的倍数 Resolution 是分辨率 代表模拟信号量化数字的位数 在这个例子中 我们用的是 16Bit ADC 就有 2 的 16 次方即 就有 2 的 16 次方即 65536 个数字代码 Csh 是采保电容 也叫输入电容 一般在 10pF 到 100pF 之间 Rsh 是采样保持开关的导通阻抗 一般在 10Ω 到 100Ω 之间 这些信息在数据手册里都有 tacq 是采样时间 是指在采样开关闭合的阶段 所持续的时间 更长的采样时间会有利于调整精度 手册里会提供一个最小的采样时间 针对最大采样率的情况下 这一页将展示手册中 哪里可以找到上面所提到的相关参数 首先满量程 FSR 和分辨率 会在参数表里找到 这个例子中满量程就是参考电压 分辨率是 16Bit 内部的采保电容 在等效的输入电路中 注意在这个例子中 等效输入电容是采保电容和寄生电容之和 计 59pF 采样保持电阻 同样的也可以在等效电路里可以找到 是 96Ω 如果是数据手册里没有提供采保电阻 Rsh 有一个方法可以近似地进行估算 就是用最小采样时间 去除以一百倍的采保电容 这里可以计算出来的是 53 Ω 虽然实际的值是 96 Ω 并不是完全的精确 但也可以提供一个大致合理的值 吞吐量的周期包含了 采样时间和转换时间 吞吐量是最大转换时间 和最小采样时间决定的 在这个例子中 ADC 并没有跑在最大的吞吐量 采样时间就可以由当下存储量的周期 减去最大转换周期 这个例子的最大转换周期 是由内部的时钟决定的 注意 对于大多数的 Device 来说 这是对的 但有一些 Device conversion 的时间是由其他 是由外部的一些时钟来决定的 因此需要仔细阅读手册 最后需要提醒的是 增加采样时间 可以减少对运放带宽的要求 同时还会降低整体功耗 现在我们已经得到 所有相关的信息参数信息 接下来就是利用计算工具 通过下面的链接 可以下载这个工具 在这个工具的顶部 首先选择 ADC 的输入类型 在这个 case 中选择单端输入 16bit 分辨率输入电容 以及满量程和采样时间 按下 OK 键 那么 RC 值和运放的增益带宽积的值 以及最大误差将被给出 在接下来的视频中是关于第四步和第五步 谢谢观看