SAR ADC基本原理学习

作者：131v1vv   本文来源于作者EETOP论坛帖子及作者公众号：不忘初心的模拟小牛牛

今天我们来学习SAR ADC喽。逐次逼近寄存器型模数转换器（Successive-Approximation Analog to Digital Converter），是一种常用的A/D转换结构，其较低的功耗表现，还不错的转换速率，在有低功耗要求（可穿戴设备、物联网）的数据采集场景下广泛应用。

Sar ADC的历史可以追溯到16世纪，古人使用等比配重的方式称量物体重量。图1是1954年使用全真空管实现的11位 50KSPS的Sar ADC，也是首款商用的产品，歪果人真是厉害。在该领域ADI公司有着突出的表现和标志性产品，有兴趣的同学可以参考ADI的文档。

http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-021.pdf

图1

逐次逼近，顾名思义，多次转换和Bit计算中，A/D数字码输出逐渐逼近输入值。其算法核心就是“二分搜索（Binary Search）”，该算法能够高效快速的接近目标值。

举例说明，假如要请您猜测一个0~100范围内的被猜实数，您的每一次猜测，您只能得到猜测值和被猜实数的比较结果，“高了”或者“低了”的答复。请在有限的猜测次数后，得到最接近被猜测实数的猜测值。该过程可以用如图2所示的猜测过程来表示。

图2

在图2中，两个被猜实数分别为9.8和70.1。可以看到使用二分搜索的方式，第一步确定被猜实数是否大于50，根据第一次的猜测结果，决定下一次二分搜索的区域。通过4次判断，最终得到了6.25和68.75的猜测结果。这也是有限次数误差较小的一种猜测。

对于SAR A/D来说，其输出是二进制的数字码，结合图2的猜测过程，我们可以看到，二分搜索的过程需要首先确定MSB（Most Significant Bit）位的值，依次向低位搜索，直到LSB（Least Significant Bit）得到确定，其中需要有数字码到其代表的离散模拟量的转化过程（DAC实现），被猜测实值（模拟输入）和数字码对应的离散模拟量的判断（比较器实现）。其功能框图如图3所示。其中还包含了对输入的采样保持部分，控制逻辑及逐次逼近所需的数字电路部分。

图3

注意图2中用于和猜测结果比较的基准，等效为图3中DAC的输出。其输出结果的准确程度和均匀程度会直接影响到SAR ADC整体的性能， 因此需要选择合适的DAC架构实现。

目前常见的开关电容DAC，又称电荷再分配DAC。电容匹配精度仅受工艺过程中的光刻精度影响，容易实现SAR ADC精度和线性度的要求。该结构还有如下优点，将DAC和采样保持部分融合为一体，简化了电路的复杂度。

图4

一个简易的4bit电荷再分配结构及工作过程如动图4所示。其中电容容值以2^N比例形式排列，b1~b5依次为最高位到最低位。其中Sample Phase用于采样输入信号，Hold Phase是采样完毕，等待转换的阶段，此过程结束后，输入电压Vin以电荷的形式存储在二进制排列的电容上。Bit Cycling是过程为逐比特确认的过程。各阶段Vx节点电压及逐比特计算的过程如图5所示。

图5

Sar ADC典型的时序如图6所示，通常对输入信号的采样Sample需要多个时钟周期，具体所需时间为受分辨率影响，采样后输入信号建立误差应小于1/2 LSB。保持Hold和转换过程，需要N个时钟周期，如果存在校准的过程，则需要更多的时钟周期。

图6

好了，这期的内容就先到这里了