6.1 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

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