吳康

   本文詳述SAR(逐次逼近寄存器型) ADC位結構特點與工作原理并與其它型ADC作比較,以此作出選擇。

前言

   逐次逼近寄存器型(SAR)的模擬數字轉換器(ADC)是采樣速率低于5Msps的中等至高分辨率應用的常見結構。SAR ADC的分辨率一般為8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特點。這些特點使SAR ADC獲得了很廣的應用范圍，例如便攜式電池供電儀表、筆輸入量化器、工業控制和數據信號采集器等。

    那末什么是SAR 呢? 顧名思義, SAR實質上是實現一種二進制搜索算法。所以，當內部電路運行在數兆赫茲(MHz)時，由于逐次逼近算法的緣故，故ADC采樣速率僅是該數值的幾分之一。為了使SAR ADC在很寬的范圍上得到應用,那就應該對SAR(逐次逼近寄存器型)的ADC有一個全面的理解。首先對SAR ADC的結構分析。

SAR ADC的結構

   盡管實現SAR ADC的方式千差萬別，但其基本結構非常簡單(見圖1)。

   模擬輸入電壓(VIN)由采樣／保持電路保持。為實現二進制搜索算法，N位寄存器首先設置在中間刻度(即：100…00，MSB為‘1’)。這樣，數字模擬轉換器(DAC)輸出(VDAC)被設為VREF／2，VREF是提供給ADC的基準電壓。然后，比較判斷VIN是小于還是大于VDAC，如果VIN>VDAC，則比較器輸出邏輯高電平或‘1’，N位寄存器的MSB保持‘1’。相反，如果VIN < VDAC ，則比較器輸出邏輯低電平，N位寄存器的MSB清為‘0’。隨后，SAR控制邏輯移至下一位，并將該位設置為高電平，進行下一次比較。這個過程一直持續到最低有效位(LSB)。上述操作結束后，也就完成了轉換，N位轉換結果儲存在寄存器內。

    圖2是一個4位轉換器。y軸及圖中的粗線表示DAC的輸出電壓。本例中，第一次比較表明VINVDAC，位2保持為‘1’。DAC置為01102，執行第三次比較。根據比較結果，位1置‘0’，DAC又設置為01012，執行最后一次比較。最后，由于V1N>VDAC，位0確定為‘1’。

    注意，對于4位ADC需要四個比較周期。通常，N位SAR ADC需要N個比較周期，在前一位轉換完成之前不得進入下一次轉換。由此可以看出，該類ADC能夠有效節省功耗和空間，當然，也正是由于這個原因，分辨率在14位至16位，速率高于幾Msps的逐次逼近ADC及其少見。一些基于SAR結構的微型ADC已經推向市場。例如，采用QSPITM串行接口的MAXlll5-MAXlll8系列8位ADC以及采用微小的SOT23封裝，分辨率更高的可互換產品-10位MAXl086和12位MAXl286，尺寸只有3mm×3mm。兼容于I2C接口的MAXl036／MAXl037可將四路、8位ADC和一個基準源集成在SOT23封裝內。

    SAR ADC的另一個特點是，功率損耗隨采樣速率而改變，這一點與閃速ADC或流水線ADC不同，后者在不同的采樣速率下具有固定的功耗。這僅對于低功耗應用或者不需要連續采集數據的應用是非常有利的(例如，用于PDA數字轉換器的MAXl233)。

SAR的深入分析

    SAR ADC的兩個重要部件是比較端和DAC，可以看到，圖1中采樣／保持電路可以嵌入到DAC內，不作為一個獨立的電路。

SAR ADC的速度受限于：

1、DAC的建立時間，在這段時間內必須穩定在整個轉換器的分辨率以內(如：1／2 LSB)。

2、比較器，必須在規定的時間內能夠分辨VIN與VDAC的微小差異。

3、邏輯開銷。

DAC

   DAC的最大建立時間通常取決于MSB的建立時間，原因很簡單，MSB的變化代表了DAC輸出的最大偏移。另外，ADC的線性也受DAC線性指標的限制。因此，分辨率高于12位的SAR ADC常常需要調理或校準，以改善其線性指標。這主要是受元件固有的匹配度所限。雖然這在某種程度上取決于處理工藝和設計，但在實際的DAC設計中，元件的匹配度將線性指標限制在12位左右。許多SAR ADC采用具有固有采樣／保持功能的電容式DAC。電容式DAC根據電荷再分配的原理產生模擬輸出電壓，由于這種類型的DAC在SAR ADC中很常用，所以，應討論—下它們的工作原理。

    電容式DAC包括一列由N個按照二進制加權排列的電容和一個“空LSB”電容組成的陣列。圖3是一個16位電容式DAC與比較器相連接的范例。采樣階段，陣列的公共端(所有電容連接的公共點)接地，所有自由端連接到輸人信號(模擬輸入或VIN)。

    采樣后，公共端與地斷開，自由端與VIN斷開，在電容陣列上有效地獲得了與輸入電壓成比例的電荷量。然后，將所有電容的自由端接地，驅動公共端至一個負壓-VIN

    作為二進制搜索算法的第一步，MSB電容的自由端與地斷開并連接到VREF，驅動公共端電壓向正端移動1/2 VREF。例如，如果VIN等于3/4 VREF，將MSB電容連接到VREF、其余電容接地時，