ADI_Amy

讲义分享,绝对干货——高精度逐次逼近型ADC支持电路的设计和故障排除

ADI_Amy 員工 在 2015-7-9 建立的討論區
最後回覆由mongfe@sina.com於2015-7-14提供

近期,咱们技术专家在媒体论坛上举办了【高精度逐次逼近型ADC支持电路的设计和故障排除】在线研讨会,这里我们详细为大家分享了此次研讨会的讲义,绝对有料哦~~

 

想观看研讨会回放的盆友请戳这里

http://www.chinawebinar.com/lobbyPage/100161.HTM?partnerref=wb1

 

完整讲义请移步至ADI专家网友技术问题百问百答——SARADC故障排除 下载。




高精度逐次逼近型ADC支持电路的结构

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SAR基准电压源分为内部与外部

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内部基准电压源

  • 易于使用
  • 节省空间

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外部基准电

  • 无与ADC集成的基准电压源
  • 最佳性能(噪声、ppm/C漂移和初始精度)
  • 可能获得更好的功效/多个ADC


SAR基准电压输入

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  1. REF是开关电容输入
  • 每一位电容ADC在位检验过程中均会切换至REF
  1. 电荷再分配会导致从REF吸取电荷
  2. 动态电流负载
  • 吞吐速率的函数
  • 内部位检验时钟的函数
  • MSB需要最大电荷

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  1. 使用500欧姆电阻测得的电流
    • 电流尖峰高达2.5mA
  2. 需要大储能电容,以获得稳定的基准电压
    • 通常为10uF或以上
    • 减少基准电压源驱动时的负担
  3. 基准电压源电路在转换之间为储能电容充电
    • ADC基准电流规定为特定吞吐速率时的平均电流
    • 平均电流与吞吐速率成比例


基准电压输出驱动

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    1. 带隙基准电压源可以包含缓冲器(ADR43XADR45XX)
      • 否则,可以使用合适的运放
    2. 电流负载应使基准电压下降小于0.5lsb
      • 突发模式工作是最差的情况
    3. 基准电压源的输出电流大于总基准输入电流的平均值


基准电压源的吸电流能力

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  1. 在故障条件下,ADC输入可能会超过基准电压
    • ADC驱动器从更宽电轨运行
    • 电流/电荷释放到REF节点
  2. 基准电压源电路需要吸电流功能(ADR43X,ADR45XX)
    • 放电超过REF电容上的电压
    • 在故障过程中吸取ADC驱动器电流
  3. 老的基准电压源可能没有吸电流功能,仅有源电流功能


基准电压源缓冲器

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  1. Ref驱动不足或uPower Ref时使用
  2. 用于驱动多个ADC
  3. 典型单位增益配置
    • 低噪声
    • 驱动大电容负载(10uF)
  4. 频率范围内的低输出阻抗
  5. 大储能电容可处理高频纹波
    • 取决于吞吐速率
  6. 缓冲器可处理低频纹波
    • 输入信号带宽


驱动多个ADC的基准电压缓冲器

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  1. 每个电路板/系统一个基准电压源
    • 同步采样型应用
  2. 每一个SAR ADC均具有其自己的储能电容
    • 尽可能靠近REF引脚放置
  3. 星型连接至缓冲器,使串扰最小
  4. 缓冲器必须在大电容负载的情况下保持稳定
  5. 缓冲器必须具有充足的电流驱动能力

 
基准电压源补偿和噪声

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缓冲器噪声

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    1. 同样地,也可以估计缓冲器的噪声
      • 需要估计在10uF负载(~16KHz)情况下的带宽
      • 缓冲器噪声影响~2.4uV
    2. 基准电压源通常是主要噪声源
      • 假设选择噪声相对较低的缓冲器
    3. 如果使用缓冲器,则可通过RC对基准电压噪声进行限带处理
      • 可使用极低的截止频率(耦合100Hz


温度/时间漂移

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  1. mV指定的基准电压源的初始精度
  2. 漂移极为重要的规格参数
    • 多数系统常常校准
    • 基准电压值中的漂移显示为ADC增益误差
  3. 多数良好的基准电压漂移<10ppm/C
  4. ADR45XX系列漂移<2ppm/C
  5. 增加系统误差预算


基准问题–“粘连位

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  1. 设计不佳的基准电压电路显示为粘连位
  2. 由于噪声,SAR做出错误的位判断
    • 相同的代码不断重复,而输入不断变化
    • 低位中的所有零或所有
  3. 在接近满量程的输入端更重要
  4. 常见原因
    • 储能电容的布局和大小
    • 驱动强度不足/高输出阻抗
    • 基准电压噪声/基准电压缓冲器太大


布局考量

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储能电容布局至关重要

  • 尽量靠近ADC基准引脚
  • 使用宽走线连接
  • 低阻抗接地路径或基准接地引脚(如有)

电容选择

  • ESR
  • 陶瓷X5R
  • 越大越好,高达10uF,但取决于ADC电流要求。


模拟前端

采样系统的典型前端连接

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SAR ADC的模拟输入架构

  1. 选择某种输入类型的原因
  2. 各设计的优势和限制
  3. 遇到的常见错误
  • 差分ADC的输入端没有反相信号

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  • 在伪差分ADCIN-输入端施加非零直流电压
  • 反相,但Vcm不正确

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逐次逼近型器件的三种最常见的ADC输入结构类型 单端QQ图片20150709171705.png

    • 简单是它的优点→仅需要一条线即可将信号源的信号传递至ADC
    • 信号以ADC的公共接地引脚为参考
    • 对于许多应用,单端连接是可接受的完美解决方案
    • 因此您为什么会想用其他的呢?.....
    • 不能抑制信号链内的直流失调→减小输入信号的动态范围
    • 更易受到耦合噪声的影响
    • 信号源和ADC应彼此靠近
    • 如果检测信号地的需求增加,则可能会考虑伪差分器件

 

 

伪差分

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  • 将感知的信号地与ADC接地分开
  • IN-是信号源接地检测
  • ADC旨在抑制IN-上的干扰信号
  • 伪差分器件可抑制哪种类型的干扰信号?
  • IN-允许输入的电压范围有限

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  • 较大的共模电压可能需考虑在输入端增加一个仪表放大器
  • SE器件的动态范围没有提高…如果需要更大的动态范围怎么办?

 

差分反相

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  • 提高动态范围反相信号允许输入+/-满量程而非0至满量程…使动态范围加倍!!!

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  • 最大程度抑制噪声
  • 往往消除偶阶失真产物
  • ADC旨在抑制输入干扰信号
  • 和伪差分一样,架构限制可抑制的共用输入信号范围→CMRR在此范围内非常好

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  • 信号必须为反相信号→否则,很快违反共模限制

 

 

根据不同的架构,此器件可接受不同极性的电压输入

  1. 单极性→通常具有0VVref或多倍Vref的绝对输入电压范围
  2. 双极性→通常具有+/- Vref或多倍+/- Vref的绝对输入电压
  3. 对于任一极性信号均可采用上述所有ADC输入结构

 

 

选择正确的驱动放大器

  1. 选择正确的无源滤波器值
  2. 带宽/建立时间考虑因素

 

 

选择正确的放大器

  • 由于采用SAR ADC的开关电容架构,输入阻抗不会很高
  • 很可能需要一个放大器,用于在输入信号源和ADC之间执行阻抗转换
  • 根据采样速率、信号带宽和所使用的转换器,选择放大器对于实现所需的系统性能水平至关重要

 

 

计算RC滤波器带宽

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RC值考虑因素

  1. CEXT衰减反冲,通常为两nF
    • 太大导致驱动器不稳定
    • 低电压系数NP0电容
  2. REXT帮助放大器驱动CEXT
    • 太小又会降低驱动器的相位裕量=>不稳定或振铃
    • 太大导致失真增加。可能适用于较低的fin

 

  1. 放大器带宽应至少为2-3x RC带宽
    • SSBW用于低频(<100KHz)
    • LSBW用于多路复用/高频
  2. 对多路复用输入至关重要的建立时间(至0.001%

 

 

 

选择合适的放大器 - 裕量

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  1. 失真性能需要上/下余量
  2. 对于R-R输出甚至可达1V或更多
  3. 可使用单极性电源,有损输入范围,SNR略有下降


結果