逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（通常稱為SAR ADC）是一類通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生連續(xù)模擬波形的數(shù)字（離散時(shí)間）表示。它們通過電荷再分配過程完成此任務(wù)，其中將已知的固定電荷量與從輸入到ADC的采集電荷進(jìn)行比較。在此過程中，通過所有可能的數(shù)字代碼（量化電平）執(zhí)行二進(jìn)制搜索，其中最終結(jié)果收斂于使內(nèi)部外殼比較器恢復(fù)平衡的代碼。1和0的組合表示電路生成的決策序列，使系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)。

從高層次來看，SAR ADC是一款多功能、易于使用、完全異步的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。盡管如此，在決定將哪個(gè)轉(zhuǎn)換器用于特定應(yīng)用時(shí)，還是需要做出一些選擇。在這里，我們將重點(diǎn)介紹ADI公司SAR ADC產(chǎn)品組合中可用的模擬輸入信號(hào)類型。應(yīng)該注意的是，盡管重點(diǎn)是SAR ADC，但輸入類型對(duì)于所有ADC架構(gòu)都是通用的。根據(jù)所考慮電路的源類型或總體目標(biāo)，需要做出某些設(shè)計(jì)決策和權(quán)衡。最簡單的解決方案是將ADC輸入類型與信號(hào)源輸出配置相匹配。但是，源信號(hào)可能需要調(diào)理以改變信號(hào)類型，或者可能存在影響模擬輸入類型決策的成本、功耗或面積考慮因素。讓我們探討一下不同的可用模擬輸入類型。

單端

最簡單的模擬輸入類型是單端輸入。在這種情況下，只需一根導(dǎo)線即可將信號(hào)從源端傳輸?shù)紸DC。將有一個(gè)輸入引腳，沒有直接返回或檢測(cè)路徑返回到信號(hào)源。轉(zhuǎn)換結(jié)果將相對(duì)于ADC的接地引腳生成。根據(jù)具體器件的不同，輸入可以是單極性或雙極性。在單端情況下，簡單是它的優(yōu)點(diǎn)。只需一條跡線即可將信號(hào)從源端傳輸?shù)紸DC。這可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)降低整個(gè)信號(hào)鏈的功耗。這種簡單性可能需要權(quán)衡。單端設(shè)置不會(huì)抑制信號(hào)鏈中存在的直流失調(diào)。單端系統(tǒng)依賴于相對(duì)于載流接地層進(jìn)行測(cè)量，源極接地和ADC接地之間的電壓差將出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換結(jié)果中。此外，設(shè)置更容易受到耦合噪聲的影響。因此，信號(hào)源和ADC應(yīng)保持靠近，以減輕這些影響。如果SAR ADC是單極性單端配置，則允許的信號(hào)擺幅介于地電位和正滿量程之間，通常由ADC基準(zhǔn)輸入設(shè)置。單端單極性輸入的可視化表示如圖1所示。具有單端單極性輸入的器件包括AD7091R和AD7091R-8。

圖1.單極性單端。

如果SAR ADC是雙極性單端配置，則允許的信號(hào)擺幅介于正滿量程和負(fù)滿量程之間。同樣，滿量程通常由ADC基準(zhǔn)輸入設(shè)置。單端雙極性輸入的可視化表示如圖2所示。具有單端雙極性輸入的器件是AD7656A-1。

圖2.雙極單端。

偽差速器

如果需要檢測(cè)信號(hào)接地或?qū)⑾鄬?duì)測(cè)量結(jié)果與載流接地層去耦，信號(hào)鏈設(shè)計(jì)人員可能需要考慮改用偽差分輸入結(jié)構(gòu)。偽差分器件本質(zhì)上是具有接地檢測(cè)的單端ADC。該器件正在執(zhí)行差分測(cè)量，但檢測(cè)到的差分是相對(duì)于輸入信號(hào)接地電平測(cè)量的單端輸入信號(hào)。單端輸入被驅(qū)動(dòng)到ADC的正輸入（IN+），輸入接地電平被驅(qū)動(dòng)到ADC的負(fù)輸入（IN?）。需要注意的一點(diǎn)是，信號(hào)鏈設(shè)計(jì)人員必須注意負(fù)輸入的模擬輸入范圍。在某些情況下，與正輸入相比，負(fù)輸入引腳的輸入范圍有限。在這些情況下，正輸入可以在允許的輸入電壓范圍內(nèi)自由擺動(dòng)，而ADC的負(fù)輸入可能被限制在ADC地周圍的一些較小的±電壓范圍內(nèi)。每個(gè)ADC輸入的允許輸入范圍可在數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。尋找名為絕對(duì)輸入電壓的規(guī)格，如圖3所示。

圖3.絕對(duì)輸入電壓示例。

如果IN?電壓范圍有限的偽差分器件（如AD7980）需要抑制大于絕對(duì)輸入電壓范圍的不需要的信號(hào)，則信號(hào)鏈設(shè)計(jì)人員可能需要考慮使用儀表放大器來消除這些較大的共模，然后再向ADC提供信號(hào)。偽差分有三種配置：單極、偽雙極和真雙極。ADI SAR ADC產(chǎn)品組合提供可提供每種配置的器件。在單極性偽差分設(shè)置中，單端單極性信號(hào)被驅(qū)動(dòng)到ADC的正輸入端，信號(hào)源地被驅(qū)動(dòng)到ADC負(fù)輸入端，如圖4所示。具有單極性偽差分輸入的器件示例包括AD7980和AD7988-5。

圖4.單極偽差分。

在偽雙極性設(shè)置中，單端單極性信號(hào)被驅(qū)動(dòng)到ADC的正輸入端。但是，該輸入不是將信號(hào)源接地驅(qū)動(dòng)到負(fù)ADC輸入，而是看到滿量程電壓的一半。在這種情況下，輸入范圍將被視為±V司 司長/2而不是 0 到 V司 司長.動(dòng)態(tài)范圍沒有增加，單極性情況和偽雙極性情況之間的差異是正輸入的測(cè)量值。與單極性偽差分情況一樣，偽雙極性負(fù)輸入的輸入范圍有限。但是，現(xiàn)在它±一些關(guān)于V的電壓司 司長/2而不是地面。偽雙極性輸入范圍圖如圖5所示。在這種情況下，V關(guān)閉= V司 司長/2.具有偽雙極性輸入選項(xiàng)的器件示例是AD7689。

圖5.偽雙極。

偽差分真雙極性情況的工作方式與單極性偽差分情況非常相似，只是單端正ADC輸入可以在地電位以上和以下擺動(dòng)。通常，峰峰值輸入范圍是基準(zhǔn)電壓的兩倍或該比率的倍數(shù)。例如，如果基準(zhǔn)電壓為5 V，則偽差分真雙極性器件可以接受±5 V范圍內(nèi)的輸入。 圖6顯示了偽差分真雙極性輸入范圍圖。具有偽差分真雙極性輸入的器件示例是AD7606。

圖6.偽差分真雙極。

微分

與單端架構(gòu)相比，偽差分架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于能夠抑制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的某些擾動(dòng)信號(hào)。但是，有一種架構(gòu)可以提供相同的抑制優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。差分架構(gòu)允許用戶最大化ADC的輸入范圍。與單端或偽差分方案相比，差分信號(hào)能夠在給定電源和基準(zhǔn)電壓源設(shè)置下將輸入范圍加倍，動(dòng)態(tài)范圍最多可增加6 dB，而不會(huì)增加器件功耗。

ADI提供兩種帶差分輸入的器件。這里介紹的第一種類型是差分反相。在這種情況下，ADC正在轉(zhuǎn)換ADC的正輸入和負(fù)輸入之間的差值，而正輸入和負(fù)輸入彼此擺動(dòng)180°。通常，差分反相器件是單極的。因此，差分的每個(gè)支路將在地和正滿量程之間擺動(dòng)，由基準(zhǔn)輸入設(shè)置。由于差分的支腿異相180°，輸入的共模是固定的。就像偽差分器件一樣，差分反相器件可以限制其允許的共模輸入范圍。該范圍可在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)格表中找到，如圖7所示。對(duì)于任一 ADC 輸入的絕對(duì)輸入范圍為 0 V 至正滿量程的器件，共模電壓為 V FS/2.在大多數(shù)情況下，對(duì)于高分辨率（16位或更高）差分反相SAR ADC，共模電壓范圍約為典型共模電壓±100 mV。

圖7.差分共模輸入范圍。

差分反相器件通常在需要絕對(duì)最佳性能時(shí)選擇。差分信號(hào)將提供最大的噪聲抑制，并且往往會(huì)抵消有序失真特性。如圖8所示，當(dāng)差分支腿向相反方向擺動(dòng)時(shí)，相對(duì)于單端和偽差分配置，動(dòng)態(tài)范圍和SNR得到改善。

圖8.動(dòng)態(tài)范圍因差分信號(hào)而增加。

如果需要在信號(hào)源為單端的信號(hào)鏈中最大限度地提高系統(tǒng)性能，可以使用單端轉(zhuǎn)差分放大器（如ADA4940-1或ADA4941-1）來正確調(diào)理輸入信號(hào)，并將共模與ADC的共模相匹配。與偽差分器件一樣，如果系統(tǒng)中存在較大的共模，則應(yīng)使用儀表放大器來調(diào)理大部分共模。差分ADC可以處理共模下的細(xì)微變化，聚合信號(hào)鏈將具有出色的CMRR。圖9顯示了差分反相輸入范圍圖。具有差分反相輸入的器件示例包括AD7982、AD7989-5和AD7915。

圖9.差異反相。

共模范圍限制對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能且不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍產(chǎn)生負(fù)面影響是必要的。在操作差分反相器件時(shí)，觀察到一些常見的錯(cuò)誤會(huì)違反共模范圍。圖10顯示了在實(shí)現(xiàn)差分反相器件時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生的用戶誤差。在這種情況下，差分信號(hào)不是180°異相。因此，兩個(gè)ADC輸入引腳之間的共模變化很大，并且違反了在圖7約束下工作的器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖 10.共模沖突。

其他常見的差分反相位誤差包括180°異相信號(hào)，但共模不正確，或者ADC的IN?引腳連接到直流基座電壓。在負(fù)ADC輸入端提供ADC電壓將很快違反共模范圍規(guī)范，并且還會(huì)消除差分信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)勢(shì)。第二種類型的差分信號(hào)是測(cè)量任意兩個(gè)信號(hào)之間的差分，而不考慮共模。ADI提供一系列基于SAR ADC技術(shù)的集成數(shù)據(jù)采集解決方案，可測(cè)量全差分信號(hào)。對(duì)于正在尋找具有寬允許輸入共模范圍的集成數(shù)據(jù)采集解決方案的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)人員，ADI提供了ADAS3022和ADAS3023。這些分別是雙極性順序和同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，共模范圍寬至±10 V。在此范圍內(nèi)，它們能夠表示任何兩個(gè)信號(hào)之間的差異。

模擬輸入類型會(huì)影響數(shù)字輸出編碼。具有單極性輸入范圍的轉(zhuǎn)換器（例如單端單極性和偽差分）將采用直接二進(jìn)制編碼。

代碼0表示負(fù)滿量程輸入電壓，代碼2N ? 1（其中N是位數(shù)）表示正滿量程輸入。具有極性±輸入的設(shè)備將采用二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼，以便向用戶顯示符號(hào)位。極性±器件包括單端雙極性、偽差分雙極性、偽雙極性和所有差分器件。對(duì)于這些ADC，負(fù)滿量程輸入由代碼?2N ? 1表示，正滿量程輸入由代碼2N ? 1 ? 1表示。

SAR ADC是一種多功能、低功耗、高性能選項(xiàng)，用于創(chuàng)建模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈。這些設(shè)備非常容易實(shí)現(xiàn)。但是，為了從系統(tǒng)中獲得所需的性能，必須做出某些體系結(jié)構(gòu)選擇。本文重點(diǎn)介紹ADI公司SAR ADC產(chǎn)品組合中提供的模擬輸入類型選擇。每種輸入類型都有某些好處，必須與特定的權(quán)衡進(jìn)行比較。如前所述，做出正確的選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷