SAR ADC驱动电路设计有点难？掌握了这些要点，让你事半功倍！

SAR ADC是一个非常常见的拓扑结构，这是一种在速度、分辨率和功率之间提供了很好平衡的折衷方案。SAR ADC的一个关键优势是几乎没有延迟。因此在很多应用领域都能看到使用SAR ADC。本文将介绍SAR ADC的原理，以及SAR ADC驱动电路设计需要注意的一些要点。SAR ADC原理SAR ADC（Successive Approximation Register），即逐次逼近型ADC。如下图，SAR ADC主要分成四个部分:采样保持电路、模拟比较器、SAR逐次逼近寄存器和DAC数字模拟转换器。

图1：SAR ADC的典型拓扑结构SAR ADC的工作过程主要有两个阶段：采样阶段和转化阶段。采样阶段：在采样阶段，开关S2断开，开关S1闭合，这时对ADC采样电容C充电。

图2：SAR ADC的采样阶段转化阶段：在转化阶段，开关S1断开，S2闭合。

图3：转化阶段下图是一个6-bit ADC转换过程：采样电容上的电压与内部DAC通过比较器上的电压，从高位到低位，逐级比较。逐次逼近寄存器在每个时钟周期向内部DAC提供额外的代码。如果采样电容上的模拟电压高于内部DAC电压，记为1如果采样电容上的模拟电压高于内部DAC电压，记为0

图4：6-bit ADC的转换过程所以，转换时间是转换取决于时钟频率和ADC分辨率。上图示例中，转化需要6个时钟周期得到结果。结束转化之后，大多数ADC会返回采样阶段。SAR ADC驱动电路设计为什么需要驱动电路？一般情况下，SAR ADC输入结构为开关电容采样电路。而电容的充放电需要足够的电流来支持。同时由于电容的存在，加上开关本身的一些片内寄生电容，会将一些电荷反向注入电源，称为电荷注入反冲，从而引起振荡。

图5：开关电容采样电路, 电荷注入反冲（图片来源：ADI）如上图：开关闭合的时候，采样；开关打开的时候，转化。每当开关闭合的时候，电容本身存在的电荷反向注入传感器，从而引起振荡。我们需要额外的稳定时间来排除这部分干扰。为了给SAR ADC供电以及减少电荷反冲的影响。一般我们会在传感器和SAR ADC之间，添加ADC驱动电路（放大器）和开关采样电容充电RC电路。

图6：SAR ADC驱动电路设计（图片来源：ADI）开关采样电容充电RC电路RC起到的作用是减少电荷反冲的影响以及限制宽带噪声。这项要求又对放大器选择和性能构成了进一步的限制。为了选择合适的RC阻值和容值，我们至少要确保以下两点：第一，确保所选ADC驱动器和RC电路能切实驱动ADC。也就是说RC电路的电阻阻值不能过于大。是否能够足够驱动ADC，由ADC需要的输入电流大小决定，也就是ADC输入电阻大小决定。第二，确保采样电容上的电压尽量接近输入电压。在转化阶段之前，确保采样电容上的电压尽量接近输入电压，且稳定到所需的分辨率。如下图，在SAR ADC采样阶段，S1关闭，输入电压Vin通过电阻R对采样电容C充电。采样电容上的电压和输入电压之间的电压差应小于LSB（最低有效位）的一半。

图7：采样电容上的电压下面我们来看看时间常数τ的计算。

对于不同的分辨率，下表显示了至少需要多少个时间常数才能保证误差在1个LSB之内

分辨率（位）	LSB (%FS)	建立至1 LSB误差的时间常数数量
6	1.563	4.16
8	0.391	5.55
10	0.0977	6.93
12	0.0244	8.32
14	0.0015	11.09
18	0.00038	12.48
20	0.000095	13.86
22	0.000024	15.25

比如一个8位ADC，至少要6倍于时间常数的时间，才能保证误差在1个LSB之内。推导计算过程，这里就不展开了，感兴趣可以看下面这篇ADI的文章：精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计存在外部RC电路的情况下，需要一同考虑外部RC电路和内部ADC采样电路结构中的RC以及存在的其他的寄生阻抗参数，来计算时间常数τ。这里就不展开讨论。为RC电路选择合适的电阻和电容，可访问Digi-Key相应的产品网页。Digi-Key电阻Digi-Key电容ADC驱动电路（放大器）驱动电路（放大器）的选择，我们需要注意以下两点：放大器应支持充电电流并能够吸收电荷注入反冲。该放大器的输出需要在采样边缘的末端完全稳定,使得对ADC输入采样时不会增加误差。这意味着放大器应能提供瞬时电流阶跃，对应放大器应该具有高压摆率。对这些瞬态事件提供快速建立响应，对应放大器应该具有高带宽。放大器选型时，可以通过压摆率和带宽等参数进行筛选。通过Digi-Key网站，可以方便地根据参数选择合适的放大器。Digi-Key放大器