理解逐次逼近寄存器型ADC：與其它類型ADC的架構對比 |
摘要：逐次逼近寄存器型(SAR)模數轉換器(ADC)佔據着大部分的中等至高分辨率ADC市場。SAR ADC的採樣速率最高可達5Msps，分辨率爲8位至18位。SAR架構允許高性能、低功耗ADC採用小尺寸封裝，適合對尺寸要求嚴格的系統。
本文說明了SAR ADC的工作原理，採用二進制搜索算法，對輸入信號進行轉換。本文還給出了SAR ADC的核心架構，即電容式DAC和高速比較器。最後，對SAR架構與流水線、閃速型以及Σ-Δ ADC進行了對比。
引言
逐次逼近寄存器型(SAR)模擬數字轉換器(ADC)是採樣速率低於5Msps (每秒百萬次採樣)的中等至高分辨率應用的常見結構。SAR ADC的分辨率一般爲8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特點。這些特點使該類型ADC具有很寬的應用範圍，例如便攜/電池供電儀表、筆輸入量化器、工業控制和數據/信號採集等。顧名思義，SAR ADC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，由於逐次逼近算法的緣故，ADC採樣速率僅是該數值的幾分之一。
SAR ADC的架構
儘管實現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)由採樣/保持電路保持。爲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設置爲1)。這樣，DAC輸出(VDAC)被設爲VREF/2，VREF是提供給ADC的基準電壓。然後，比較判斷VIN是小於還是大於VDAC。如果VIN大於VDAC，則比較器輸出邏輯高電平或1，N位寄存器的MSB保持爲1。相反，如果VIN小於VDAC，則比較器輸出邏輯低電平，N位寄存器的MSB清0。隨後，SAR控制邏輯移至下一位，並將該位設置爲高電平，進行下一次比較。這個過程一直持續到LSB。上述操作結束後，也就完成了轉換，N位轉換結果儲存在寄存器內。
圖1. 簡單的N位SAR ADC架構
圖2給出了一個4位轉換示例，y軸(和圖中的粗線)表示DAC的輸出電壓。本例中，第一次比較表明VIN < VDAC。所以，位3置爲0。然後DAC被置爲01002，並執行第二次比較。由於VIN > VDAC，位2保持爲1。DAC置爲01102，執行第三次比較。根據比較結果，位1置0，DAC又設置爲01012，執行最後一次比較。最後，由於VIN > VDAC，位0確定爲1。
圖2. SAR工作原理(以4位ADC爲例)
注意，對於4位ADC需要四個比較週期。通常，N位SAR ADC需要N個比較週期，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能夠有效降低功耗和空間，當然，也正是由於這個原因，分辨率在14位至16位，速率高於幾Msps (每秒百萬次採樣)的逐次逼近ADC極其少見。一些基於SAR結構的微型ADC已經推向市場。MAX1115/MAX1116和MAX1117/MAX1118 8位ADC以及分辨率更高的可互換產品MAX1086和MAX1286 (分別爲10位和12位)，採用微小的SOT23封裝，尺寸只有3mm x 3mm。12位MAX11102採用3mm x 3mm TDFN封裝或3mm x 5mm µMAX®封裝。
SAR ADC的另一個顯著的特點是：功耗隨採樣速率而改變。這一點與閃速ADC或流水線ADC不同，後者在不同的採樣速率下具有固定的功耗。這種可變功耗特性對於低功耗應用或者不需要連續採集數據的應用非常有利(例如，用於PDA 數字轉換器)。
SAR的深入分析
SAR ADC的兩個重要部件是比較器和DAC，稍後我們可以看到，圖1中採樣/保持電路可以嵌入到DAC內，不作爲一個獨立的電路。SAR ADC的速度受限於：
- 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：½ LSB)
- 比較器，必須在規定的時間內能夠分辨VIN與VDAC的微小差異
- 邏輯開銷
DAC
DAC的最大建立時間通常取決於其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，由於元件固有匹配度的限制，分辨率高於12位的SAR ADC常常需要調理或校準，以改善其線性指標。雖然這在某種程度上取決於處理工藝和設計，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採用具有固有采樣/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，由於這種類型的DAC在SAR ADC中很常用，所以，我們最好討論一下它們的工作原理。
電容式DAC包括一個由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與比較器相連接的範例。採樣階段，陣列的公共端(所有電容連接的公共點，見圖3)接地，所有自由端連接到輸入信號(模擬輸入或VIN)。採樣後，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。然後，將所有電容的自由端接地，驅動公共端至一個負壓-VIN。
圖3. 16位電容式DAC示例
作爲二進制搜索算法的第一步，MSB電容的底端與地斷開並連接到VREF，驅動公共端電壓向正端移動½VREF。
因此，VCOMMON = -VIN + ½ × VREF
如果VCOMMON < 0 (即VIN > ½ × VREF)，比較器輸出爲邏輯1。如果VIN < ½ × VREF，比較器輸出爲邏輯0。
如果比較器輸出爲邏輯1，MSB電容的底端保持連接至VREF。否則，MSB電容的底端連接至地。
接下來，下一個較小電容的底端連接至VREF，將新的VCOMMON電壓與地電位進行比較。
繼續上述過程，直至所有位的值均確定下來。
簡言之，VCOMMON = -VIN + BN-1 × VREF/2 + BN-2 × VREF/4 + BN-1 × VREF/8 + ... + B0 × VREF/2N-1 (B_爲比較器輸出/ADC輸出位)。
DAC校準
對於一個理想的DAC來講，每個與數據位相對應的電容應該精確到下一個較小電容的兩倍。在高分辨率ADC (如16位)中，這會導致過寬的數值範圍，以致無法用經濟、可行的尺寸實現。16位的SAR ADC (如MAX195)實際由兩列電容組成，利用電容耦合減小LSB陣列的等效容值。MSB陣列中的電容經過微調以降低誤差。LSB電容的微小變化都將對16位轉換結果產生明顯的誤差。不幸的是，僅僅依靠微調並不能達到16位的精度，或者補償由於溫度、電源電壓或其它參數的變化所造成的性能指標的改變。考慮到上述原因，MAX195內部爲每個MSB電容配置了一個校準DAC，這些DAC通過電容耦合到主DAC輸出，根據它們的數字輸入調節主DAC的輸出。校準時，首先要確定用於補償每個MSB電容誤差的修正代碼，並存儲該代碼。此後，當主DAC對應的數據位爲高電平時就把存儲的代碼提供給適當的校準DAC，補償相關電容的誤差。一般由用戶發起校準過程，也可以在上電時進行自動校準。爲降低噪聲效應，每個校準過程都執行許多次(MAX195大約持續14,000個時鐘週期)，結果取平均值。當供電電壓穩定後最好進行一次校準。高分辨率ADC應該在電源電壓、溫度、基準電壓或時鐘等任何一個參數發生顯著變化後進行再校準，因爲這些參數對直流偏移有影響。如果只考慮線性指標，可以容許這些參數有較大改變。因爲校準數據是以數字方式存儲的，無需頻繁轉換即可保持足夠的精度。
比較器
比較器需要具有足夠的速度和精度，儘管比較器的失調電壓不影響整體的線性度，它將給系統傳輸特性曲線帶來一個偏差，爲減小比較器的失調電壓引入了失調消除技術。然而，還必須考慮噪聲，比較器的等效輸入噪聲通常要設計在1 LSB以內。比較器必須能夠分辨出整個系統精度以內的電壓，也就是說比較器需要保證與系統相當的精度。SAR ADC與其它ADC結構的比較
與流水線ADC相比
流水線ADC採用一種並行結構，並行結構中的每一級同時進行一位或幾位的逐次採樣。這種固有的並行結構提高了數據的吞吐率，但要以功耗和延遲爲代價。所謂延遲，在此情況下定義爲ADC採樣到模擬輸入的時間與輸出端得到量化數據的時間差。例如，一個5級流水線ADC至少存在5個時鐘週期的延遲，而SAR只有1個時鐘週期的延遲。需要注意的是，延遲的定義只是相對於ADC的吞吐率而言，並非指SAR的內部時鐘，該時鐘是吞吐率的許多倍。流水線ADC需要頻繁地進行數字誤差校準，以降低對流水線上每一級閃速ADC (即比較器)的精度要求。而SAR ADC的比較器精度只需與整體系統的精度相當即可。流水線ADC一般比同等級別的SAR需要更多的硅片面積。與SAR一樣，精度高於12位的流水線ADC通常需要一些某種形式的微調或校準。與閃速ADC相比
閃速ADC由大量的比較器構成，每個比較器包括一個寬帶、低增益預放大器和鎖存器。預放大器必須僅用於提供增益，不需要高線性度和高精度，這意味着只有比較器的門限值才需具有較高的精度。所以，閃速ADC是目前轉換速率最快的一種架構。通常需要折衷考慮閃速ADC的速度以及SAR DAC的低功耗和小尺寸特性。儘管極高速的8位閃速ADC (以及它們的摺疊/內插變種)具有高達1.5Gsps的採樣速率(例如MAX104、MAX106和MAX108)，但很難找到10位的閃速ADC，而12位(及更高位)閃速ADC還沒有商用化的產品。這是由於分辨率每提高1位，閃速ADC中比較器的個數將成倍增長，同時還要保證比較器的精度是系統精度的兩倍。而在SAR ADC中，提高分辨率需要更精確的元件，但複雜度並非按指數率增長。當然，SAR ADC的速度是無法與閃速ADC相比較的。
與Σ-Δ轉換器相比
傳統的過採樣/Σ-Δ轉換器被普遍用於帶寬限制在大約22kHz的數字音頻應用。近來，一些寬帶Σ-Δ轉換器能夠達到1MHz至2MHz的帶寬，分辨率在12位至16位。這通常由高階Σ-Δ調製器(例如，4階或更高)配合一個多位ADC和多位反饋DAC構成。Σ-Δ轉換器具有一個優於SAR ADC的先天優勢：即不需要特別的微調或校準，即使分辨率達到16位至18位。由於該類型ADC的採樣速率要比有效帶寬高得多，因此也不需要在模擬輸入端增加快速滾降的抗混疊濾波器。由後端數字濾波器進行處理。Σ-Δ轉換器的過採樣特性還可用來“平滑”模擬輸入中的任何系統噪聲。Σ-Δ轉換器要以速率換取分辨率。由於產生一個最終採樣需要採樣很多次(至少是16倍，一般會更多)，這就要求Σ-Δ調製器的內部模擬電路的工作速率要比最終的數據速率快很多。數字抽取濾波器的設計也是一個挑戰，並要消耗相當大的硅片面積。在不遠的將來，速度最高的高分辨率Σ-Δ轉換器的帶寬將不大可能高出幾兆赫茲很多。