0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

SAR型ADC的模拟输入模型、反冲电压和RC滤波器计算

CHANBAEK 来源:硬件工程师笔记 作者:纪烈臣 2023-09-14 15:54 次阅读

这是以前的笔记重新做了整理,因为发现里面一个细节弄错了。最近遇到ADC问题,重新翻阅了这个笔记,发现一个细节怎么都对不上……需要特别注意的是, SAR型ADC前面运放加RC电路的主要目的,并不是用来滤波的,而是特别用来驱动SAR型ADC的 。工作那么久,见到过很多SAR型ADC驱动电路没有特别注意过,只是按照滤波电路来设计,R取值1K甚至10K,电容取值如0.1uF。这样的电路在要求不高的时候可能没有什么问题。一旦有所要求,就会遇到麻烦——我就亲身经历过,最终排查了几个星期才发现是RC导致的。

本文是ADI智库SAR型ADC课程的笔记的第一篇,内容为SAR型ADC的interwetten与威廉的赔率体系 输入模型、反冲电压,以及如何设计RC滤波器。这个系列课程应用性比较强,因为工作中经常会用到SAR 型ADC芯片,所以特别做了笔记,加深理解。另外,课程中对于公式的推导有些粗略,我这里会比较详细的列出来推导过程;其实就是一阶RC电路的暂态分析,看来把电路基础学好是非常必要的。

随着此类ADC的精度和采样率不断提高,因此驱动此类ADC的难度也越来越大。图1是SAR型ADC的模拟输入模型,不必管ADC内部的具体情况;它告诉了我们输入节点到底发生了什么。为了简化数学,模拟前端做了适当的简化,选择最经典的最差情形建立条件:S1和S2是两个开关,转换周期内S2是闭合的,所以此时Vcin=0V;这样采集周期开始时,Vcin从0V开始指数上升。

我们经常会看到RC滤波电路与ADC输入端相连,加滤波器的目的简单来说,限制了下游信号的带宽,因此信号链和驱动器(即RC滤波器前级电路)的噪声都会被RC滤波器限制了带宽,减小了噪声。但是**,这个RC滤波器也有副作用,它将导致电荷重新分配,减小电压建立的速度。反冲电压也是因为电荷在两个电容上重新分配出现的。**

图片

图1 SAR型ADC的模拟输入模型

下面我们看下如何计算反冲电压,见图2。转换周期内即S1断开、S2闭合这一段时间内,Cfilt两端的电压为Vref。采集周期刚开始即S1闭合S2断开后,ADC输入端的电压从图中可看出,它先被拉低,尔后呈指数上升。

图片

图2 采集周期和转换周期,两个加起来即为采样周期

我们可通过电荷守恒(流入某节点的总电荷等于流出的总电荷)计算出反冲电压值 。详细见图3。从中我们就能明白为什么RC滤波器需要设计,而不是随便选阻容了。其实原因非常直观,因为采集周期开始时会有一个很大的干扰,随后电压呈指数上升,如果电压在采集周期结束都没有完成建立,——甚至发生震荡——那么ADC采集到的电压精度是不准确的。图3中虚线的电压就没有在采集周期结束前完成建立,当然画得不太准确。另外,SAR型ADC具有零延迟的特点,不管采样电压转换成什么样的输出,都会在下一个周期提供给ADC输出端;所以SAR型ADC的RC滤波器设计需要简单注意下。

图片

图3 电荷守恒法计算下冲电压

最后就是RC滤波器的设计了。首先看下RC电路的相关公式,因为只有知道它,才能明白课程中的推导是怎么来的,详细见图4。图4中的圈1公式非常值得记住,因为不管是电容电压上升还是下降,它都是适用的。有的课本是把上升和下降的公式分为两个,觉得一个的更好。它的推导是从微分方程推出来的。更多的内容参见电路课本,如时间常数(如电容电压上升情况,一个时间常数,电容电压上升至总输入电压的约63%)等。

图片

图4 这是三要素法算出来的。它跟图5最终的公式很接近了,只差几步换算了。 两个关键点 ,第一,ln函数里面分子和分母调换位置即可去掉外面的负号;第二,分子分母同时增加负号后,该数是没有变化的。这样图5的公式就能够理解了。

课程中给出的公式见图5,它将前面的一切都整合到了一起。根据一个有效的经验法则,我们希望在此ADC分辨率的1/2 LSB的范围内完成建立。

通常会在数据手册中找到固定的转换周期的数值,即用采样速率倒数减去这个固定的转换周期,就是采集时间了。看ADC加上设计好的RC滤波器后是否能在采集周期结束前完成采集电压的建立,也就是Tacq大于我们计算出的建立时间。

图片

图5 最终的公式

RC滤波器的设计存在一种反向关系 ,带宽太小可以减小噪声,但是会延长建立时间;反之亦然。总之,就像找到一个神奇的数值,在带宽和建立时间达到某个平衡。

本文为理解SAR型ADC提供了一个很好的框架。更多详细见该课程,课程中有实际仿真测试等。另外,需要注意的是,这里假设了驱动电压是理想电压源,实际电路中的驱动源往往是运放等,它会带来一些别的影响。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 滤波器
    +关注

    关注

    161

    文章

    7799

    浏览量

    178012
  • SAR
    SAR
    +关注

    关注

    3

    文章

    416

    浏览量

    45952
  • adc
    adc
    +关注

    关注

    98

    文章

    6496

    浏览量

    544485
  • RC滤波器
    +关注

    关注

    0

    文章

    75

    浏览量

    16660
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    如何设计RC滤波器及运算放大器的选择

    ADC 前端驱动设计,参考电压设计,数字信号输出部分设计。本文将介绍 ADC 的前端驱动所需要的注意的一些要素。 如图所示是一个常见的 SAR A
    的头像 发表于 01-16 10:55 4308次阅读
    如何设计<b class='flag-5'>RC</b><b class='flag-5'>滤波器</b>及运算放大器的选择

    SARADCRC滤波器设计

      本文是ADI智库SARADC课程的笔记的第一篇,内容为SARADC
    发表于 11-09 16:26 3754次阅读
    <b class='flag-5'>SAR</b><b class='flag-5'>型</b><b class='flag-5'>ADC</b>的<b class='flag-5'>RC</b><b class='flag-5'>滤波器</b>设计

    精密ADC滤波器设计的实际挑战和考虑

    ,便可利用ADI 公司的模拟滤波器向导设计有源模拟滤波器。它会根据应用要求计算电容和电阻值,并选择合适的放大器。数字
    发表于 10-16 18:45

    SARADC前端RC滤波器设计

    进一步设计了ADC前端的放大电路和RC滤波电路,悲剧也就从此开始。笔者遇到一个两难的问题,如上图所示,为确保系统对阶跃信号有很好的响应(本质是为解决ADC
    发表于 11-13 09:28

    RC无源低通滤波器设计问题?

    的前端设计中,往往要在输入端加一RC无源低通滤波器,威廉希尔官方网站 资料在计算截止频率是并没有考虑到SAR ADC
    发表于 01-08 14:06

    SARADC应用

    衰减特性,其对抗混叠滤波器的设计要求要低很多,多数情况下一阶RC电路能够满足抗混叠需求。)其次是模拟输入与基准输入的驱动问题。不同于大学课本
    发表于 08-06 04:45

    精密SAR模数转换的前端放大器和RC滤波器设计

    到达ADC输入端的带外噪声,帮助衰减ADC输入端中开关电容的反冲影响。为SAR
    发表于 12-08 08:00

    如何使用LTspice模拟 SAR ADC 模拟输入

    ADC 的分辨率和采样率不断提高,模拟输入的驱动电路,而不是 ADC 本身,越来越成为决定整体电路精度的限制因素。除了用于噪声输入信号的简单
    发表于 04-12 17:45

    模拟滤波器注入噪声原理及设计

    模拟滤波器注入噪声原理及设计 有时候,事情根本没有意义!例如,您 Δ-Σ ADC 输入RC 滤波器
    发表于 03-19 17:00 1494次阅读
    <b class='flag-5'>模拟</b><b class='flag-5'>滤波器</b>注入噪声原理及设计

    如何使用模拟滤波器注入噪

    如何使用模拟滤波器注入噪声 例如,您 Δ-Σ ADC 输入RC 滤波器或放大器的低通
    发表于 03-23 08:57 860次阅读

    SAR ADC外部RC滤波电路的理论计算方法

    5.6 滤波器RC选型的理论计算方法
    的头像 发表于 04-12 06:21 6834次阅读
    <b class='flag-5'>SAR</b> <b class='flag-5'>ADC</b>外部<b class='flag-5'>RC</b><b class='flag-5'>滤波</b>电路的理论<b class='flag-5'>计算</b>方法

    如何计算SAR ADC外部滤波电路的RC

    5.4 如何计算RC滤波器的值
    的头像 发表于 04-12 06:17 4804次阅读
    如何<b class='flag-5'>计算</b><b class='flag-5'>SAR</b> <b class='flag-5'>ADC</b>外部<b class='flag-5'>滤波</b>电路的<b class='flag-5'>RC</b>值

    如何选择SAR ADC前端的RC滤波器

    如何选择SARADC前端的RC滤波器
    的头像 发表于 08-21 06:02 5189次阅读

    LTspice:仿真SAR ADC模拟输入

    随着ADC分辨率和采样速率的不断提高,模拟输入的驱动电路(而不是ADC本身)日益成为决定整体电路精度的限制因素。除了用于噪声
    的头像 发表于 01-03 16:39 2430次阅读
    LTspice:仿真<b class='flag-5'>SAR</b> <b class='flag-5'>ADC</b><b class='flag-5'>模拟</b><b class='flag-5'>输入</b>

    如何选择saradc前端的rc滤波器

    如何选择saradc前端的rc滤波器?  SAR ADC是独立单元,可将信号成像转换为数字信号。在SAR
    的头像 发表于 09-13 10:01 927次阅读