【導讀】逐次逼近寄存器型(SAR)模擬數字轉換器(ADC)是采樣速率低于 5Msps (每秒百萬次采樣)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。
逐次逼近寄存器型(SAR)模擬數字轉換器(ADC)是采樣速率低于 5Msps (每秒百萬次采樣)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。這些特點使該類型 ADC 具有很寬的應用范圍，例如便攜 / 電池供電儀表、筆輸入量化器、工業控制和數據 / 信號采集等。
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，由于逐次逼近算法的緣故，ADC 采樣速率僅是該數值的幾分之一。
SAR ADC 的架構
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 設置為 1)。這樣，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 大于 VDAC，則比較器輸出邏輯高電平或 1，N 位寄存器的 MSB 保持為 1。相反，如果 VIN 小于 VDAC，則比較器輸出邏輯低電平，N 位寄存器的 MSB 清 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 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 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 置為 0。然后 DAC 被置為 01002，并執行第二次比較。由于 VIN > VDAC，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 VIN > VDAC，位 0 確定為 1。
圖 2. SAR 工作原理(以 4 位 ADC 為例)
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 能夠有效降低功耗和空間，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 (每秒百萬次采樣)的逐次逼近 ADC 極其少見。一些基于 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 (分別為 10 位和 12 位)，采用微小的 SOT23 封裝，尺寸只有 3mm x 3mm。12 位 MAX11102 采用 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。這種可變功耗特性對于低功耗應用或者不需要連續采集數據的應用非常有利(例如，用于 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，稍后我們可以看到，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：
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于其 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，由于元件固有匹配度的限制，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。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，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 與比較器相連接的范例。采樣階段，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)。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。
圖 3. 16 位電容式 DAC 示例
作為二進制搜索算法的第一步，MSB 電容的底端與地斷開并連接到 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)，比較器輸出為邏輯 1。如果 VIN < ½ × VREF，比較器輸出為邏輯 0。
如果比較器輸出為邏輯 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_ 為比較器輸出 /ADC 輸出位)。
DAC 校準
對于一個理想的 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范圍，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，僅僅依靠微調并不能達到 16 位的精度，或者補償由于溫度、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 內部為每個 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，首先要確定用于補償每個 MSB 電容誤差的修正代碼，并存儲該代碼。此后，當主 DAC 對應的數據位為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。為降低噪聲效應，每個校準過程都執行許多次(MAX195 大約持續 14,000 個時鐘周期)，結果取平均值。當供電電壓穩定后最好進行一次校準。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后進行再校準，因為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。因為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，盡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，為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 采用一種并行結構，并行結構中的每一級同時進行一位或幾位的逐次采樣。這種固有的并行結構提高了數據的吞吐率，但要以功耗和延遲為代價。所謂延遲，在此情況下定義為 ADC 采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 個時鐘周期的延遲，而 SAR 只有 1 個時鐘周期的延遲。需要注意的是，延遲的定義只是相對于 ADC 的吞吐率而言，并非指 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，精度高于 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。預放大器必須僅用于提供增益，不需要高線性度和高精度，這意味著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。盡管極高速的 8 位閃速 ADC (以及它們的折疊 / 內插變種)具有高達 1.5Gsps 的采樣速率(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。這是由于分辨率每提高 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，但復雜度并非按指數率增長。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
傳統的過采樣 /Σ-Δ轉換器被普遍用于帶寬限制在大約 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調制器(例如，4 階或更高)配合一個多位 ADC 和多位反饋 DAC 構成。Σ-Δ轉換器具有一個優于 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。由于該類型 ADC 的采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。由后端數字濾波器進行處理。Σ-Δ轉換器的過采樣特性還可用來“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。由于產生一個最終采樣需要采樣很多次(至少是 16 倍，一般會更多)，這就要求Σ-Δ調制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，并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。
總結
綜上所述，SAR ADC 的主要優點是低功耗、高分辨率、高精度、以及小尺寸。由于這些優勢，SAR ADC 常常與其它更大的功能集成在一起。SAR 結構的主要局限是采樣速率較低，并且其中的各個單元(如 DAC 和比較器)，需要達到與整體系統相當的精度。
參考文獻
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