7.6 ADC：SAR 基准输入 - CDAC

大家好，歡迎收看 TI 精密實驗室

系列，我們將說明有關 SAR ADC 的 電壓參考需要

考慮的事項。

本節的 目的是

概述 SAR ADC 的 內部電路。

我們將特别關注 電容性 DAC，

或稱為 CDAC。

在了解 CDAC 後， 將顯示出

在 SAR ADC 的 參考輸入端

產生電流 暫態的機制。

此處我們有整個 參考系列的討論項目。

在本節中，將介紹內部 電容性數位類比

轉換器，即 CDAC，以及涵蓋的 比較電路區塊的功能性，

並且說明 SAR 參考輸入端

的電氣作用。

讓我們開始吧！

SAR 資料轉換 器的轉換週期

可以分成 兩個不同階段--

擷取階段 與轉換階段。

在擷取階段， 外部的驅動電路

將為轉換器的 內部取樣充電並維持電壓的

電容器，讓其電壓與 放大器輸出電壓相同。

在擷取階段的開始， 開關 S1 是關閉的，

在擷取階段結束時， 開關 S1 則是開啟，

此時轉換程序 開始啟動。

右側的圖形顯示 進行取樣和保持電壓，

在擷取期間， 對其內部電容器充電

到目標電壓。

本投影片顯示 轉換階段。

在轉換階段 開始時，

開關 S1 開啟， 而輸入電壓

儲存在取樣和 保持電壓的電容器中。

在此例中，你可以看到 2.6 伏特電壓

儲存在取樣和 保持電壓的電容器中。

SAR ADC 的操作原則是使用 二進位搜尋演算法

然後收斂到輸入信號。

在 SAR ADC 架構的 核心，

電容性 DAC 或稱 CDAC，會產生

二進位的加權電壓做為 參考輸入電壓的函數，

使用高速 比較器

來執行 位元判定。

在本例中，我們介紹 一個五位元轉換器，

因此將進行 五次比較，

從最高有效 位元 MSB 開始，

再逐一進行到 最低有效位元 LSB。

SAR ADC 比較器 在每個轉換時間週期，

就會執行一次 位元判定，其間

CDAC 會在比較器的 輸入端，設定

一個二進位加權電壓。

右側的圖形顯示 此二進位加權 CDAC 電壓，

作為二進位搜尋演算法 收斂的輸入電壓。

接著，我們將顯示 CDAC 的內部電路，

並且概述 其工作原理。

此概述能夠 更深入了解

在 ADC 參考電壓輸入端， 產生的電流暫態

的起源。

此處，我們將顯示 CDAC 的內部電路。

CDAC 是由一個具有二進位 加權值的電容器區域

加上一個 額外的 LSB

電容器。

此範例說明一個 五位元的 SAR ADC 轉換器。

所有電容器都擁有 二進位的加權值 --

C、C/2、C/4 直到 最低有效加權值

C/16。

最後兩個電容器 都擁有加權值 C/16，

所有電容器陣列 連接起來，

形成並聯總電容量 為 2 倍 C。

轉換程序從 擷取階段開始，

其中開關 SA 關閉而 開關 SB 連接到輸入

電壓正 2.6 伏特。

在 ADC 輸入端施加 輸入電壓 VIN，

而等於負 2 乘以 C 再乘以 VIN 的總電量

則儲存在電容 器陣列中。

此陣列的 等效圖形

顯示輸入 電路的簡化圖。

重複一次，電容量 2倍 C，

是所有轉換電容器 並聯後的電容量。

輸入電壓 直接施加於

2 倍電容量的電容器兩端， 並且等於負 2 乘以 C 再乘以 VIN 的

電量亦儲存此電容器陣列中。

在擷取階段 結束後，

轉換階段 啟動保持模式。

在保持模式下， 啟動開關測試。

所有二進位 加權的電容器

開關 S1 到 S5 首先接地，

在比較器的輸入端 產生的 BC 電壓

等於負 2.6 伏特。

請注意，此時電壓已經反向， 因為二進位加權

電容器的相反側 現在接地了。

開關 SB 切斷與輸入 信號針腳的連接，

然後連接到 參考電壓輸入端。

再看位於 右邊的圖形，

它是電路的簡略圖。

轉換程序藉著 電荷重新分配

加以執行。

轉換序列是從 最高有效位元

或稱 MSB 開始判定。

在此步驟中，開關 S1 會把最大電容器 C

連接到參考電壓 VREF。

電容器 C 形成一個 101 五位元的電容分配器

配合其他二進位 加權電容器。

在右側的 簡化電路圖

顯示比較器的 電壓成為

DC 等於負 VIN 加 VREF 除以 2

或者 VC 等於 負 0.552 伏特。

既然在反相比較器 輸入端的電壓

是負值，則比較器 的輸出電壓

升高，形成最高 有效位元判定，

MSB 等於 1。

請注意，當執行 MSB 判定時， 參考輸入電壓看到

一個有效開關的 電容負載為 C/2。

當它連接到電路時， 這個電容負載將造成

一個快速暫態電流突波。

這個轉換程序將繼續 執行 MSB 減 1 的有效位元判定。

第二位元判定步驟， 使用開關 S2

將 C/2 電容器連接到 VREF。

既然第一位元 判定步驟

導致 MSB 等於 1， 而開關 S1

轉而接地，再次讓 電容器 C 放電。

電容器 C/2 形成一個 3 到 4 的電容分配器

配合其他二進位 加權電容器，

如右側顯示的 簡化電路圖。

比較器的 電壓成為

VC 等於負 VIN 加 3/4 乘 VREF。

造成在反相比較器 輸入端的電壓

是正值，而 編譯器的輸出電壓

走低，形成第二個 有效位元判定，

MSB 減去 1 的有效位元等於 0。

在第三個有效 位元判定，C/4

使用 S3 開關， 連接到 VREF。

既然先前位元 判定步驟為 0，

S2 開關左側 連接到 VREF。

以並聯方式連接 電容器 C/4

和電容器 C/2 形成一個 5-取樣端的電容分配器

配合其他二進位 加權電容器，

如右側顯示的 簡化電路圖。

造成在反相比較器 輸入端的電壓

是負值，則比較器 的輸出電壓

升高，造成第三個 位元判定等於 1。

以類似的方式，在第四個 位元判定期間，C/8 電容器

使用 S4 開關， 連接到 VREF。

既然最後一個位元 判定步驟為高，

開關 S3 轉而接地，再次讓 電容器 C/4 放電。

在右側的 簡化電路圖

顯示比較器的 電壓成為

VC 等於負 VIN 加 11/16 乘 VREF。

造成在反相比較器 輸入端的電壓

是正值，則比較器 的輸出電壓

走低，造成第四個 位元判定等於 0。

在最後步驟， 最低有效位元

或稱 LSB 或第五個位元判定， 是由電容器 C/16 切換操作，

如電路圖顯示， 使用開關 S5 操作。

產生的五位元 轉換結果是 10100。

在轉換階段， 參考輸入會看到

一個動態開關的 電容負載

當二進位 加權位元判定

是在每個轉換 時間週期執行的。

請注意，參考 輸入電壓

在當 二進位加權電容器

進行充電時必須維持穩定。

重點要強調， 最嚴重的動態電流暫態

往往發生在進行 最高有效位元判定期間，

此時最大電容值的電容器 正處於切換。

在 SAR ADC 架構上， 參考輸入

在轉換階段中， 會執行幾次取樣。

在每個轉換時間週期， 進行二進位加權位元判定時，

參考輸入都會 執行一次取樣。

該圖顯示在 12 位元的 ADC 型號為 ADS8028，

在其參考輸入端看到的 參考電流暫態。

當轉換程序 開始啟動時，

會出現一個大幅度的 初始電流暫態，

是在每次進行位元 判定時，產生的 12 個電流

暫態。

雖然參考輸入的 平均電流消耗

可能僅有幾百 微安培的範圍，

在此輸入針腳發生的 快速電流暫態

幅度就可能達到 幾十毫安培。

當進行二進位 加權轉換時，

在每個轉換時間週期 就會發生電流暫態。

在典型的 SAR ADC 中， 轉換時間頻率

在幾十百萬赫 MHz 的範圍內，

而發生的快速 電流暫態脈衝

彼此之間只相隔 幾個奈秒距離。

這就是參考 驅動電路需要

相對大量的旁路 電容器的原因，

以便將電荷儲存到 二進位加權電容器陣列內，

而且參考驅動 電路必須能夠

驅動電容性 負載，

以便保持參考 輸入電壓穩定。

本影片內容至此結束。

謝謝收看。

請接受測驗， 看看您是否理解

本影片的內容。

大家好，歡迎收看 TI 精密實驗室

系列，我們將說明有關 SAR ADC 的 電壓參考需要

考慮的事項。

本節的 目的是

概述 SAR ADC 的 內部電路。

我們將特别關注 電容性 DAC，

或稱為 CDAC。

在了解 CDAC 後， 將顯示出

在 SAR ADC 的 參考輸入端

產生電流 暫態的機制。

此處我們有整個 參考系列的討論項目。

在本節中，將介紹內部 電容性數位類比

轉換器，即 CDAC，以及涵蓋的 比較電路區塊的功能性，

並且說明 SAR 參考輸入端

的電氣作用。

讓我們開始吧！

SAR 資料轉換 器的轉換週期

可以分成 兩個不同階段--

擷取階段 與轉換階段。

在擷取階段， 外部的驅動電路

將為轉換器的 內部取樣充電並維持電壓的

電容器，讓其電壓與 放大器輸出電壓相同。

在擷取階段的開始， 開關 S1 是關閉的，

在擷取階段結束時， 開關 S1 則是開啟，

此時轉換程序 開始啟動。

右側的圖形顯示 進行取樣和保持電壓，

在擷取期間， 對其內部電容器充電

到目標電壓。

本投影片顯示 轉換階段。

在轉換階段 開始時，

開關 S1 開啟， 而輸入電壓

儲存在取樣和 保持電壓的電容器中。

在此例中，你可以看到 2.6 伏特電壓

儲存在取樣和 保持電壓的電容器中。

SAR ADC 的操作原則是使用 二進位搜尋演算法

然後收斂到輸入信號。

在 SAR ADC 架構的 核心，

電容性 DAC 或稱 CDAC，會產生

二進位的加權電壓做為 參考輸入電壓的函數，

使用高速 比較器

來執行 位元判定。

在本例中，我們介紹 一個五位元轉換器，

因此將進行 五次比較，

從最高有效 位元 MSB 開始，

再逐一進行到 最低有效位元 LSB。

SAR ADC 比較器 在每個轉換時間週期，

就會執行一次 位元判定，其間

CDAC 會在比較器的 輸入端，設定

一個二進位加權電壓。

右側的圖形顯示 此二進位加權 CDAC 電壓，

作為二進位搜尋演算法 收斂的輸入電壓。

接著，我們將顯示 CDAC 的內部電路，

並且概述 其工作原理。

此概述能夠 更深入了解

在 ADC 參考電壓輸入端， 產生的電流暫態

的起源。

此處，我們將顯示 CDAC 的內部電路。

CDAC 是由一個具有二進位 加權值的電容器區域

加上一個 額外的 LSB

電容器。

此範例說明一個 五位元的 SAR ADC 轉換器。

所有電容器都擁有 二進位的加權值 --

C、C/2、C/4 直到 最低有效加權值

C/16。

最後兩個電容器 都擁有加權值 C/16，

所有電容器陣列 連接起來，

形成並聯總電容量 為 2 倍 C。

轉換程序從 擷取階段開始，

其中開關 SA 關閉而 開關 SB 連接到輸入

電壓正 2.6 伏特。

在 ADC 輸入端施加 輸入電壓 VIN，

而等於負 2 乘以 C 再乘以 VIN 的總電量

則儲存在電容 器陣列中。

此陣列的 等效圖形

顯示輸入 電路的簡化圖。

重複一次，電容量 2倍 C，

是所有轉換電容器 並聯後的電容量。

輸入電壓 直接施加於

2 倍電容量的電容器兩端， 並且等於負 2 乘以 C 再乘以 VIN 的

電量亦儲存此電容器陣列中。

在擷取階段 結束後，

轉換階段 啟動保持模式。

在保持模式下， 啟動開關測試。

所有二進位 加權的電容器

開關 S1 到 S5 首先接地，

在比較器的輸入端 產生的 BC 電壓

等於負 2.6 伏特。

請注意，此時電壓已經反向， 因為二進位加權

電容器的相反側 現在接地了。

開關 SB 切斷與輸入 信號針腳的連接，

然後連接到 參考電壓輸入端。

再看位於 右邊的圖形，

它是電路的簡略圖。

轉換程序藉著 電荷重新分配

加以執行。

轉換序列是從 最高有效位元

或稱 MSB 開始判定。

在此步驟中，開關 S1 會把最大電容器 C

連接到參考電壓 VREF。

電容器 C 形成一個 101 五位元的電容分配器

配合其他二進位 加權電容器。

在右側的 簡化電路圖

顯示比較器的 電壓成為

DC 等於負 VIN 加 VREF 除以 2

或者 VC 等於 負 0.552 伏特。

既然在反相比較器 輸入端的電壓

是負值，則比較器 的輸出電壓

升高，形成最高 有效位元判定，

MSB 等於 1。

請注意，當執行 MSB 判定時， 參考輸入電壓看到

一個有效開關的 電容負載為 C/2。

當它連接到電路時， 這個電容負載將造成

一個快速暫態電流突波。

這個轉換程序將繼續 執行 MSB 減 1 的有效位元判定。

第二位元判定步驟， 使用開關 S2

將 C/2 電容器連接到 VREF。

既然第一位元 判定步驟

導致 MSB 等於 1， 而開關 S1

轉而接地，再次讓 電容器 C 放電。

電容器 C/2 形成一個 3 到 4 的電容分配器

配合其他二進位 加權電容器，

如右側顯示的 簡化電路圖。

比較器的 電壓成為

VC 等於負 VIN 加 3/4 乘 VREF。

造成在反相比較器 輸入端的電壓

是正值，而 編譯器的輸出電壓

走低，形成第二個 有效位元判定，

MSB 減去 1 的有效位元等於 0。

在第三個有效 位元判定，C/4

使用 S3 開關， 連接到 VREF。

既然先前位元 判定步驟為 0，

S2 開關左側 連接到 VREF。

以並聯方式連接 電容器 C/4

和電容器 C/2 形成一個 5-取樣端的電容分配器

配合其他二進位 加權電容器，

如右側顯示的 簡化電路圖。

造成在反相比較器 輸入端的電壓

是負值，則比較器 的輸出電壓

升高，造成第三個 位元判定等於 1。

以類似的方式，在第四個 位元判定期間，C/8 電容器

使用 S4 開關， 連接到 VREF。

既然最後一個位元 判定步驟為高，

開關 S3 轉而接地，再次讓 電容器 C/4 放電。

在右側的 簡化電路圖

顯示比較器的 電壓成為

VC 等於負 VIN 加 11/16 乘 VREF。

造成在反相比較器 輸入端的電壓

是正值，則比較器 的輸出電壓

走低，造成第四個 位元判定等於 0。

在最後步驟， 最低有效位元

或稱 LSB 或第五個位元判定， 是由電容器 C/16 切換操作，

如電路圖顯示， 使用開關 S5 操作。

產生的五位元 轉換結果是 10100。

在轉換階段， 參考輸入會看到

一個動態開關的 電容負載

當二進位 加權位元判定

是在每個轉換 時間週期執行的。

請注意，參考 輸入電壓

在當 二進位加權電容器

進行充電時必須維持穩定。

重點要強調， 最嚴重的動態電流暫態

往往發生在進行 最高有效位元判定期間，

此時最大電容值的電容器 正處於切換。

在 SAR ADC 架構上， 參考輸入

在轉換階段中， 會執行幾次取樣。

在每個轉換時間週期， 進行二進位加權位元判定時，

參考輸入都會 執行一次取樣。

該圖顯示在 12 位元的 ADC 型號為 ADS8028，

在其參考輸入端看到的 參考電流暫態。

當轉換程序 開始啟動時，

會出現一個大幅度的 初始電流暫態，

是在每次進行位元 判定時，產生的 12 個電流

暫態。

雖然參考輸入的 平均電流消耗

可能僅有幾百 微安培的範圍，

在此輸入針腳發生的 快速電流暫態

幅度就可能達到 幾十毫安培。

當進行二進位 加權轉換時，

在每個轉換時間週期 就會發生電流暫態。

在典型的 SAR ADC 中， 轉換時間頻率

在幾十百萬赫 MHz 的範圍內，

而發生的快速 電流暫態脈衝

彼此之間只相隔 幾個奈秒距離。

這就是參考 驅動電路需要

相對大量的旁路 電容器的原因，

以便將電荷儲存到 二進位加權電容器陣列內，

而且參考驅動 電路必須能夠

驅動電容性 負載，

以便保持參考 輸入電壓穩定。

本影片內容至此結束。

謝謝收看。

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