芯耀
6618
一、SAR ADC的基本原理
這里展示了一個(gè)逐次逼近寄存器型（SAR）轉(zhuǎn)換器的非常簡單的框圖。
開關(guān)、采樣電阻（RSH）和采樣電容（CSH）構(gòu)成了采樣保持電路。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，采樣保持電路將充電至輸入信號(hào)電壓VN。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電容器上的電壓將保持在前一步中采樣得到的電壓值。
在電壓保持期間，轉(zhuǎn)換器會(huì)將該電壓轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換過程分多個(gè)步驟完成，每一步都通過調(diào)整電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）的輸出來與保持的電壓進(jìn)行比較。實(shí)際上，縮寫詞SAR代表“逐次逼近寄存器”（Successive Approximation Register）。
這個(gè)名稱指的是電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）通過逐次逼近進(jìn)行調(diào)整，試圖匹配采樣保持電路中存儲(chǔ)的電壓的過程?！凹拇嫫鳌边@個(gè)詞指的是每個(gè)轉(zhuǎn)換步驟的結(jié)果都存儲(chǔ)在一個(gè)寄存器中的事實(shí)。讓我們通過一個(gè)類比來幫助理解逐次逼近寄存器型（SAR）轉(zhuǎn)換器的工作原理。
那么，逐次逼近寄存器型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是如何工作的呢？可以把逐次逼近寄存器型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）想象成一個(gè)平衡的天平，輸入電壓就像是一個(gè)未知的重量。在天平的右側(cè)，我們有幾個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的配重砝碼。這些砝碼是按二進(jìn)制比例設(shè)置的。
由于我們有三個(gè)配重砝碼，這實(shí)際上就代表了一個(gè)三位的轉(zhuǎn)換器。進(jìn)行測量的第一步是將未知重量放在天平的左側(cè)。這類似于逐次逼近寄存器型（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣周期，也稱為采集周期。
接下來，我們開始從最重的砝碼起添加已校準(zhǔn)的配重砝碼。這就好比在轉(zhuǎn)換過程中測試最高有效位（MSB）。在這個(gè)例子中你可以看到，未知重量比配重砝碼要重。所以這個(gè)最重的砝碼就留在天平上，最高有效位的值被設(shè)為二進(jìn)制的“1”。
下一步，我們加上重量為一半的配重砝碼，這時(shí)會(huì)注意到，這些配重砝碼加起來超過了未知重量。
在最后一步，我們加上重量為四分之一的配重砝碼，然后發(fā)現(xiàn)天平平衡了。因此，重量為四分之一的砝碼就留在天平上。這樣，未知重量對應(yīng)的二進(jìn)制值就是“101”。
在這個(gè)類比中，采樣保持電路就相當(dāng)于天平的左側(cè)。平衡點(diǎn)就相當(dāng)于比較器。而經(jīng)過校準(zhǔn)的配重砝碼就相當(dāng)于電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）的輸出。
現(xiàn)在讓我們回到實(shí)際電路，更深入地了解一些細(xì)節(jié)。之前我們提到過，開關(guān)和RC電路構(gòu)成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣保持電路。開關(guān)閉合且模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行采樣的這段時(shí)間，被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采集周期。
這個(gè)周期的時(shí)長取決于轉(zhuǎn)換器的采樣率，并且會(huì)在數(shù)據(jù)手冊中給出。例如，對于采樣率為1Mbps的某款A(yù)DC，其采集周期為290ns。在采集周期內(nèi)，施加到輸入端的電壓需要給內(nèi)部電容（CSH）充電。
因?yàn)檫@是一個(gè)RC電路，電容會(huì)以指數(shù)速率充電，如左側(cè)的圖表所示。為了達(dá)到最佳精度，采樣保持電路的設(shè)計(jì)必須使其能夠在達(dá)到輸入電壓的最低有效位（LSB）的一半誤差范圍內(nèi)完成充電。最低有效位的一半（1/2LSB）是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）無法檢測到的最大誤差，因?yàn)樗∮谀?shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的分辨率。
采集周期結(jié)束后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）開始轉(zhuǎn)換采樣信號(hào)。它通過調(diào)整電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）來嘗試匹配存儲(chǔ)在采樣保持電容（CSH）上的電壓。
每次調(diào)整電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果中的一位就被計(jì)算出來。因此，一個(gè)12 位的轉(zhuǎn)換器將調(diào)整電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）12次。每次逐次逼近的結(jié)果都存儲(chǔ)在 N位寄存器中。
這張圖展示了一個(gè)5位轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換周期。在這個(gè)例子中，存儲(chǔ)在采樣保持電容（CSH）上的模擬輸入電壓用綠色虛線表示。電容數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（CDAC）的輸出用紅色線條表示，并且總是從最重的位權(quán)值，即最高有效位（MSB）開始。
這個(gè)位權(quán)值將等于滿量程范圍的二分之一。當(dāng)我們逐步進(jìn)行逐次轉(zhuǎn)換步驟時(shí)，只要數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出不超過模擬輸入，我們就保留該輸出。而一旦數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出超過模擬輸入，我們就將其關(guān)閉。
讓我們逐步看一下轉(zhuǎn)換過程。最高有效位（MSB）沒有超過模擬輸入。所以我們保留這一位，并將其二進(jìn)制值設(shè)為“1”。下一次測試次高位（MSB減1），發(fā)現(xiàn)其超過了模擬輸入。
所以這一位被關(guān)閉，其對應(yīng)的二進(jìn)制值為“0”。再測試下一位（MSB減2），發(fā)現(xiàn)沒有超過模擬輸入。所以保留這一位，其二進(jìn)制值為“1”。最后兩位都超過了模擬輸入，所以它們都被關(guān)閉，對應(yīng)的二進(jìn)制值都為“0”。因此，這個(gè)例子的總體轉(zhuǎn)換結(jié)果是“10100”
這張圖將左側(cè)的逐次逼近寄存器型（SAR）轉(zhuǎn)換方法與右側(cè)的∑-Δ型轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了對比。逐次逼近寄存器型（SAR）采樣保持電路捕獲信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)用紅點(diǎn)表示。
人們常把逐次逼近寄存器型（SAR）轉(zhuǎn)換稱為“快照式”轉(zhuǎn)換，因?yàn)椴蓸颖３蛛娐吩诒３制陂g會(huì)凍結(jié)電壓電平，這就如同相機(jī)快門按下時(shí)抓拍照片一樣。另一方面，∑-Δ型轉(zhuǎn)換器在固定的時(shí)間間隔內(nèi)更像是對信號(hào)進(jìn)行了平均處理?？纯从覀?cè)的圖，你可以看到每個(gè)綠色的間隔表示∑-Δ型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換周期。
在轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果被計(jì)算為該時(shí)間間隔內(nèi)信號(hào)的平均值。在這張圖中，這個(gè)平均值用一個(gè)紅點(diǎn)表示。當(dāng)然，說∑-Δ型轉(zhuǎn)換器只是在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行平均處理，這是一種過于簡化的說法。
二、SAR ADC的分類
1、按分辨率分類
低分辨率SAR ADC：通常分辨率在8位及以下。這類ADC結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗小，適用于對精度要求不高的場合，如一些簡單的工業(yè)控制、消費(fèi)電子中的非關(guān)鍵測量等。
中分辨率SAR ADC：分辨率一般在10位到14位之間。能滿足許多中等精度要求的應(yīng)用，如一般的音頻處理、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
高分辨率SAR ADC：分辨率在16位及以上?？捎糜趯纫髽O高的領(lǐng)域，如高精度儀器儀表、航空航天、地震監(jiān)測等。
2、按轉(zhuǎn)換速度分類
低速SAR ADC：轉(zhuǎn)換速度通常在幾十KHz以下。適用于對速度要求不高，但要求低功耗、低成本的應(yīng)用，如電池供電的便攜式設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測傳感器等。
中速SAR ADC：轉(zhuǎn)換速度一般在幾十KHz到幾百KHz之間。能滿足大多數(shù)常規(guī)數(shù)據(jù)采集和處理的需求，如工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器中的一些數(shù)據(jù)采集模塊等。
高速SAR ADC：轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到MHz級(jí)別。常用于需要快速采集數(shù)據(jù)的場合，如通信基站中的數(shù)字中頻采樣、雷達(dá)信號(hào)處理等。
3、按應(yīng)用場景分類
通用型SAR ADC：具有較為平衡的性能指標(biāo)，適用于多種不同類型的信號(hào)采集和處理場景，能滿足一般的工業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的廣泛需求。
專用型SAR ADC：針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。例如，用于音頻信號(hào)采集的SAR ADC，會(huì)在音頻帶寬內(nèi)具有出色的線性度和低噪聲性能；用于汽車電子的SAR ADC，會(huì)具備高可靠性、寬工作溫度范圍等特性，以適應(yīng)汽車惡劣的工作環(huán)境。
三、SAR ADC的優(yōu)點(diǎn)
高分辨率：能夠?qū)崿F(xiàn)較高的分辨率，通?？蛇_(dá)到12位、16位甚至更高。高分辨率意味著可以更精確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，減少量化誤差，適用于對精度要求較高的應(yīng)用場景。
中等轉(zhuǎn)換速度：轉(zhuǎn)換速度一般在幾kHz到幾MHz之間，能夠滿足許多實(shí)際應(yīng)用的需求。對于一些不需要極高速轉(zhuǎn)換，但對精度有一定要求的場合，SAR ADC是一種較為合適的選擇。
低功耗：在轉(zhuǎn)換過程中，不需要像其他一些高速ADC那樣消耗大量的功率。其逐次逼近的轉(zhuǎn)換方式使得在每次轉(zhuǎn)換時(shí)只需對少數(shù)幾個(gè)比較器和寄存器進(jìn)行操作，因此功耗相對較低，適合于電池供電等對功耗敏感的設(shè)備。
相對簡單的電路結(jié)構(gòu)：與一些復(fù)雜的ADC結(jié)構(gòu)相比，SAR ADC的電路結(jié)構(gòu)相對簡單，易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這使得其成本較低，并且具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。
SAR ADC的缺點(diǎn)
轉(zhuǎn)換速度受限：雖然具有中等轉(zhuǎn)換速度，但對于一些需要極高采樣率的應(yīng)用，如高速通信、雷達(dá)等領(lǐng)域，其轉(zhuǎn)換速度可能不夠快。在這些場合，通常需要使用更高速的ADC技術(shù)，如流水線型ADC或閃存型ADC。
對模擬輸入信號(hào)的要求較高：為了保證轉(zhuǎn)換精度，SAR ADC對模擬輸入信號(hào)的穩(wěn)定性、噪聲水平等有較高要求。輸入信號(hào)的噪聲、干擾或快速變化可能會(huì)影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要對輸入信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波和調(diào)理。
抗干擾能力相對較弱：在存在電磁干擾等惡劣環(huán)境中，SAR ADC的性能可能會(huì)受到一定影響。其逐次逼近的工作方式使得它對外部干擾較為敏感，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差增大或轉(zhuǎn)換結(jié)果不穩(wěn)定。
總結(jié)：SAR ADC以逐次逼近原理工作，通過采樣保持電路捕獲輸入信號(hào)，再以CDAC逐次逼近調(diào)整輸出與采樣電壓比較實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。其分類多樣，按分辨率、轉(zhuǎn)換速度和應(yīng)用場景可分為低/中/高分辨率、低/中/高速及通用/專用型。SAR ADC優(yōu)點(diǎn)顯著，包括高分辨率、中等轉(zhuǎn)換速度、低功耗和電路結(jié)構(gòu)簡單，能滿足多種精度與功耗需求。然而，它也存在轉(zhuǎn)換速度受限、對模擬輸入信號(hào)要求高及抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，在高速應(yīng)用和惡劣環(huán)境中可能表現(xiàn)欠佳，需采取措施優(yōu)化信號(hào)處理并增強(qiáng)抗干擾能力。
