精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计 分辨率, 放大器, 滤波器, 转换器, 设计师

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关键字：模数转换器   SAR ADC   前端放大器   RC滤波器  
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。
前端包括两个部分：驱动放大器和RC滤波器。放大器调节输入信号，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。

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、吞吐速率和输入复用。

选择合适的RC滤波器

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10MHz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(SNR)。RC网络限制输入信号的带宽，并降低放大器和上游电路馈入ADC的噪声量。不过，带宽限制过多会延长建立时间并使输入信号失真。



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”。



图2.N位ADC的典型时序图


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过下式计算：



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：



这是容性DAC切换回采集模式时出现的最大电压阶跃。然后，DAC电容与外部电容的并联组合会衰减此阶跃。因此，外部电容必须相对较大，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：



接下来计算在ADC采集阶段，ADC输入建立至1/2LSB的时间常数。假设阶跃输入以指数方式建立，则所需RC时间常数τ为：



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VSTEP，与建立误差（本例为1/2LSB）之比的自然对数来获得：



因此，



将上式代入前面的公式可得：




等效RC带宽=