Ryan Curran 應用工程師， ADI公司 逐次逼近型模數轉換器又稱SAR ADC，是通用級模數轉換器，可產生連續模擬波形的數字離散時間表示。它們通過電荷再分配過程完成這一任務；在此過程中，已知的定量電荷與ADC輸入端獲取的電荷量相比較。期間針對所有可能的數字代碼（量化電平）執行二進制搜索，最終結果收斂至某一代碼，使內部集成的比較器返回平衡狀態。0和1的組合表示電路產生的決策序列，使系統回到均衡狀態。 SAR ADC是通用、易用、完全異步的數據轉換器。但是，決定特定應用使用哪種轉換器時，仍需做出一些選擇。本文具體討論ADI SAR ADC產品組合提供的模擬輸入信號類型。但應注意，盡管本文關注的是SAR ADC，輸入類型通用于所有ADC架構。根據所考慮電路的信號源類型或總體目標，需要做出特定設計決策和權衡。最簡單的解決方案是匹配ADC輸入類型與信號源輸出配置。不過，源信號可能需要改變信號類型的調理，或者存在成本、功率或面積考慮因素，影響模擬輸入類型決策。我們來了解一下不同的可用模擬輸入類型。 單端 最簡單的模擬輸入類型是單端輸入。此時，信號從來源到達ADC僅需要一條線路。這種情況下將使用單個輸入引腳，無信號源直接返回或感測路徑。相對于ADC的接地引腳產生轉換結果。根據特定器件，輸入可能為單極性或雙極性。單端情況下，簡單是其優點。信號從來源到達ADC僅需要一條走線。這可以減少系統復雜性，同時降低總信號鏈的功耗。當然簡單也可能有代價。單端設置不會抑制信號鏈內的直流失調。單端系統需要相對于載流地層執行測量，信號源接地與ADC接地之間的電壓差異 可能出現在轉換結果中。而且，設置更易受耦合噪聲影響。因此，信號源和ADC應彼此靠近，以緩解這些效應。如果SAR ADC是單極性單端配置，容許信號擺幅介于接地與正滿量程之間，通常由ADC基準電壓輸入設置。單端單極性輸入的直觀表示可參見圖1。采用單端單極性輸入的器件有AD7091R和AD7091R-8。 圖1. 單端單極性 如果SAR ADC是雙極性單端配置，容許信號擺幅介于對地正滿量程與負滿量程之間。同樣，滿量程通常由ADC基準電壓輸入設置。單端雙極性輸入的直觀表示可參見圖2。采用單端雙極性輸入的器件有AD7656A-1。 圖2. 單端雙極性。 偽差分 如果需要感測信號地或從載流地層解耦相對測量結果，信號鏈設計人員可能考慮遷移至偽差分輸入結構。偽差分器件本質上是帶參考地的單端ADC。器件執行差分測量，但檢測的差分電壓是相對于輸入信號接地電平測量的單端輸入信號。單端輸入被驅動至ADC的正輸入端(IN )，輸入接地電平被驅動至ADC的負輸入端(IN–)。需要注意的是，信號鏈設計人員必須注意負輸入的模擬輸入范圍。一些情況中，負輸入引腳相對于正輸入具有有限的輸入范圍。這些情況下，正輸入可在容許輸入電壓范圍內自由擺動，而ADC的負輸入可限制在ADC接地附近的較小±電壓范圍內。每個ADC輸入的容許輸入范圍可在數據手冊中找到。參見圖3中的“絕對輸入電壓”規格表。 圖3. 絕對輸入電壓示例。 如果具有有限IN–電壓范圍的偽差分器件（比如AD7980）需要抑制大于絕對輸入電壓范圍的干擾信號，信號鏈設計人員可能需要考慮儀表放大器，以在信號到達ADC前消除較大的共模。有三種偽差分配置：單極性、偽雙極性及真雙極性。ADI SAR ADC產品組合提供采用以上每一種配置的器件。在單極性偽差分設置中，單端單極性信號被驅動至ADC的正輸入端，信號源地被驅動至負ADC輸入端，如圖4所示。采用單極性偽差分輸入的器件有AD7980和AD7988-5。 圖4. 單極性偽差分。 在偽雙極性設置中，單端單極性信號被驅動至ADC的正輸入端。然而，信號源地未被驅動至ADC的負輸入端，此輸入到達滿量程電壓的一半。本例中，輸入范圍為±VFS/2，而非0至VFS。未出現動態范圍增加，單極性情況與偽雙極性情況之間的差異是測量正輸入所依靠的相對電壓。與單極性偽差分情況相同，偽雙極性負輸入具有有限的輸入范圍。不過，此時電壓將在VFS/2而非接地左右變化。圖5是偽雙極性輸入范圍圖。本例中，VOFF = VFS/2。提供偽雙極性輸入選項的器件有AD7689。 圖5. 偽雙極性。 偽差分真雙極性情況與單極性偽差分情況很相似，只不過單端正ADC輸入可在低電壓上下擺動。通常，峰峰值輸入范圍是基準電壓的兩倍或此比例的倍數。例如，如果基準電壓為5 V，那么偽差分真雙極性器件可接受±5 V范圍內的輸入。圖6顯示偽差分真雙極性輸入范圍圖。提供偽差分真雙極性輸入的器件有AD7606。 圖6. 偽差分真雙極性。 差分 偽差分架構優于單端架構之處在于能夠抑制轉換系統內的特定擾動信號。不過，存在可提供相同抑制優勢，同時也增加系統動態范圍的架構。差分架構允許用戶最大限度地增加ADC的輸入范圍。與單端或偽差分方案相比，差分信號可將給定電源和基準電壓設置的輸入范圍加倍，提供最多6 dB的動態范圍增加，而不增加器件功耗。 ADI提供兩種帶有差分輸入的器件。本文介紹的第一種是差分反相。本例中，ADC轉換ADC正負輸入之間的差異，同時正負輸入彼此180°反相擺動。通常，差分反相器件為單極性。因此，差分器件的每一側將在低電壓與正滿量程（由基準電壓輸入設置）之間擺動。由于差分器件每一側180°反相，輸入共模固定。與偽差分器件相似，差分反相器件可限制其容許共模輸入范圍。此范圍可在產品數據手冊的規格表中找到。如下圖7所示。對于ADC輸入的絕對輸入范圍為0伏至正滿量程的器件，共模電壓為V FS/2。大多數情況下，對于高分辨率（16位及更高）差分反相SAR ADC，共模電壓范圍為典型共模電壓±100 mV。需要絕對最佳性能時，通常選擇差分反相器件。差分信號將提供最大噪聲抑制，趨于消除偶次項失真特性。如圖8所示，由于差分器件引腳以相反方向擺動，動態范圍和SNR相對于單端和偽差分配置有所改善。 圖7. 差分共模輸入范圍。圖8. 差分信號帶來的動態范圍增加。 如果需要在信號源為單端的信號鏈中最大限度地提高系統性能，可使用單端至差分放大器，例如ADA4940-1或ADA4941-1，以適當調理輸入信號，匹配其與ADC的共模。如同偽差分器件，如果系統內存在較大共模，應使用儀表放大器來調理共模主體。差分ADC可處理共模中的精細變化，且聚合信號鏈具有極佳的CMRR。圖9顯示了差分反相輸入范圍圖。采用差分反相輸入的器件有AD7982、AD7989-5以及AD7915。 圖9. 差分反相。 共模范圍限制是實現最佳性能和避免影響轉換器動態范圍所必需的。使用差分反相器件時有一些常見錯誤，可能違反共模范圍。圖10顯示了實施差分反相器件時常發生的用戶錯誤。此情形中，差分信號非180°反相。因此，共模在兩個ADC輸入引腳間劇烈變化，違反在圖7限制下工作的器件的數據手冊。 圖10. 違反共模。 另一個常見的差分反相失誤是180°反相、但共模不當的信號，或者將ADC的IN-引腳連接至直流基底電壓。在負ADC輸入端提供直流電壓很快便會違反共模范圍規格，同時消除差分信號的動態范圍優勢。第二種差分信號是測量任意兩個信號之間的差分，而不論共模如何。ADI提供一系列基于SAR ADC技術的集成式數據采集解決方案測量全差分信號。對于尋找具有寬容許輸入共模范圍的集成式數據采集解決方案的信號鏈設計人員，ADI提供ADAS3022和ADAS3023。它們分別是雙極性連續和同步采樣數據采集系統，共模范圍寬達±10 V。在此范圍內，它們可展示任意兩個信號間的差異。 模擬輸入類型可影響數字輸出編碼。具有單極性輸入范圍的轉換器，例如單端單極性和偽差分器件，采用直接二進制編碼。代碼0將代表負滿量程輸入電壓，代碼2N – 1（N為位數）將代表正滿量程輸入。具有±極性輸入的器件將采用二進制補碼，以便將符號位提供給用戶。具有±極性的器件包括單端雙極性、偽差分雙極性、偽雙極性和全差分器件。對于這些ADC，負滿量程輸入將由代碼–2N – 1代表，正滿量程輸入將由代碼2N – 1 – 1代表。 SAR ADC是創建模數轉換信號鏈的通用、低功耗、高性能選項。這些器件易于實施。不過，為獲得系統的所需性能，必須做出特定架構選擇。本文具體討論ADI SAR ADC產品組合提供的模擬輸入類型選擇。每種輸入類型提供特定優勢，同時必須做出特定權衡。如上所述，正確的選擇對于實現最佳性能至關重要。 有關選擇正確驅動器放大器配置的信息，請參閱以下鏈接：驅動單極性精密ADC的單/雙通道放大器配置。有關為既定應用正確選擇ADC驅動器的信息，請參閱以下鏈接：精密SAR模數轉換器的前端放大器和RC濾波器設計。 作者簡介 Ryan Curran [] 是ADI公司精密轉換器業務部門的一名產品應用工程師。自2005年加盟ADI以來，他一直主要從事SAR ADC方面工作。Ryan獲緬因大學歐洛諾電子工程學士學位，目前在阿默斯特馬薩諸塞大學伊森伯格管理學院攻讀工商管理碩士學位。 (mbbeetchina)