醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用繼續(xù)收集更多數(shù)據(jù)，隨著設(shè)備和系統(tǒng)從可穿戴ECG監(jiān)護(hù)儀到工廠自動(dòng)化中的預(yù)測性維護(hù)應(yīng)用程序的連接越來越多，這種需求將繼續(xù)增長。然而，數(shù)據(jù)僅與其精度一樣有價(jià)值，為此，逐次逼近寄存器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR-ADC）為給定的模擬輸入信號提供成功且準(zhǔn)確的數(shù)字結(jié)果。當(dāng)與適當(dāng)?shù)?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算放大器（運(yùn)算放大器）結(jié)合使用時(shí)尤其如此。

對于醫(yī)療和工業(yè)監(jiān)控，準(zhǔn)確度和精度至關(guān)重要。 SAR-ADC產(chǎn)生指定的位數(shù)。但是，如果輸入信號由于噪聲或振蕩而不穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)換器只能可靠地產(chǎn)生輸入信號的不穩(wěn)定性。面臨的挑戰(zhàn)是確保模擬系統(tǒng)噪聲和運(yùn)算放大器帶寬與SAR-ADC相輔相成。

本文簡要討論了支持抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)和互補(bǔ)運(yùn)算放大器的正確選擇。最后總結(jié)了兩個(gè)最終設(shè)計(jì)。第一設(shè)計(jì)將使用ADI公司的AD4003BRMZ，18位，2 MSPS，SAR-ADC和ADI公司的ADA4940-1ACPZ-R7全差分運(yùn)算放大器。

設(shè)計(jì)二將使用德州儀器'ADS8860IDRCT，16位，1 MSPS，SAR-ADC和德州儀器的THS4531ID，全差分運(yùn)算放大器。請注意，仿真和臺(tái)架驗(yàn)證是此設(shè)計(jì)過程的最后一步。

理解SAR-ADC/放大器接口背后動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵是將設(shè)計(jì)分解為可管理的塊。

SAR-ADC輸入結(jié)構(gòu)

SAR-ADC輸入結(jié)構(gòu)的基本模型主要由兩個(gè)開關(guān)（SWsampl，SWconv），輸入開關(guān)電阻（Rswitch）和采樣電容Csampl組成（圖1）。

圖1：良好工作的SAR-ADC輸入模型有助于確定合適的放大器驅(qū)動(dòng)器和抗混疊濾波器。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

在信號采集之前，采樣開關(guān)SWsampl打開，轉(zhuǎn)換開關(guān)SWconv打開。 SWsampl的閉合啟動(dòng)信號采集狀態(tài)，在Csampl上建立電壓和電荷水平。在采集或采樣周期（tAQU）結(jié)束時(shí)，SWsampl打開。通過此操作，信號與SAR-ADC的輸入引腳隔離，器件繼續(xù)比較每個(gè)N位，分別確定正確的1或0值。

在此采集期間，有一個(gè)初始值SAR-ADC輸入端的高頻電壓/電流尖峰最終會(huì)穩(wěn)定，以反映放大器的輸出電壓。如果電路中不存在Rflt和Cflt元件，則運(yùn)算放大器必須能夠在采集周期結(jié)束時(shí)將Csampl充電至低于最低有效位（LSB）的1/2。這需要一個(gè)非常高速的放大器，可以保持Csampl容性負(fù)載的穩(wěn)定性。這種高速放大器還會(huì)給系統(tǒng)帶來更多噪聲并增加系統(tǒng)功耗。

另一種系統(tǒng)是重新插入Rflt和Cflt，允許使用低頻放大器。此外，附帶的R/C對用作抗混疊濾波器。

模擬器件AD4003的采集或采樣時(shí)間tAQU和吞吐率（tCVC），2 MHz采樣，18位SAR-ADC分別為290納秒（ns）和500 ns（圖2）。

圖2：AD4003 3線無忙指示器串行接口時(shí)序圖，包括狀態(tài)位（SDI高）。當(dāng)先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在SDO輸出引腳上時(shí)，會(huì)發(fā)生信號采集tAQU。 （圖像來源：ADI公司）

正確的驅(qū)動(dòng)放大器選擇非常重要。作為起點(diǎn)，放大器必須是單位增益穩(wěn)定的。除此之外，產(chǎn)品選擇期間關(guān)注的主要參數(shù)是放大器的壓擺率。

輸入信號伏特每微秒最小壓擺率（SRmin）等于p * fin * Vout-pp * 10 -6 。例如，如果頻率和輸出峰峰值電壓（Vout-pp）分別為500kHz和2伏，則信號轉(zhuǎn)換速率為1.256伏/微秒（V/μsec）。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是選擇轉(zhuǎn)換速率大于或等于2 * SRmin的運(yùn)算放大器。 ADA4940-1的指定壓擺率為90 V/μsec。

確定Cflt的值

Cflt的作用有三個(gè)：吸收開始時(shí)的高頻瞬變采集時(shí)間，為SAR-ADC的輸入提供充足的電荷，并在采集時(shí)間結(jié)束時(shí)穩(wěn)定SAR-ADC輸入電壓。當(dāng)Cflt的值至少比SAR-ADC采樣電容Csampl的值高10倍時(shí)，這是可能的。這確保了95％的所需電荷可用于采樣電容。

對于ADI公司的AD4003，Cflt必須等于或大于400皮法（pF）（再次參見圖1）。在本文的第一個(gè)設(shè)計(jì)中，使用AD4003，Cflt的值為500 pF。 Cflt工藝材料應(yīng)具有高Q值，低溫度系數(shù)和不同電壓，頻率和時(shí)間下穩(wěn)定的電氣特性的C0G或NPO。

Rflt電阻有兩個(gè)功能。第一個(gè)功能是將放大器的輸出與高容性負(fù)載隔離。第二個(gè)功能是創(chuàng)建一階抗鋸齒濾波器。

確定Rflt的值作為隔離代理和抗混疊濾波器

其中一個(gè)目標(biāo)是驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)算放大器的組合是通過將負(fù)載電容與驅(qū)動(dòng)器放大器的輸出隔離來創(chuàng)建穩(wěn)定的放大器。放大器負(fù)載電容和放大器輸出之間的電阻器完成了這項(xiàng)任務(wù)。選擇合適的電阻器的一個(gè)限制是確保放大器電路穩(wěn)定。 Rflt/Cflt對為放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)增加了一個(gè)額外的極點(diǎn)和零點(diǎn)（圖2）。

圖3：ADA4940-1的開環(huán)增益與頻率曲線。 Rflt和Cflt改變放大器的開環(huán)增益曲線。為了穩(wěn)定，開環(huán)增益（Aol）和閉環(huán)增益（Acl）曲線的閉合速率必須為20 dB/decade。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

放大器穩(wěn)定性發(fā)生在開環(huán)增益和閉環(huán)增益曲線相交的地方。如果這兩條曲線的閉合速率為20 dB/decade，則電路將保持穩(wěn)定（再次參見圖2）。如果這兩條曲線的閉合速率為40 dB/decade，則電路將不穩(wěn)定。

使用ADA4940-1和AD4003的第一個(gè)設(shè)計(jì)的Rflt和Cflt值等于15 W和500 pF。此時(shí)的問題是：這個(gè)一階抗混疊濾波器的截止頻率是多少？

這個(gè)一階抗混疊濾波器的響應(yīng)取決于Rflt的值和CFLT。此濾波器轉(zhuǎn)角頻率的變量為fflt（公式4）。

Rflt和Cflt以20的速率衰減模擬路徑中的噪聲dB/decade高于7.6 MHz。請注意，fflt等于fzx。

放大器帶寬的定義包含在使用GBWP規(guī)范的等式1中。但是，放大器選擇過程還有很多。放大器建立時(shí)間和噪聲等特性值列在關(guān)鍵列表中。

放大器選擇

放大器的建立時(shí)間與Rflt/Cflt網(wǎng)絡(luò)的建立時(shí)間相結(jié)合制作復(fù)合系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間。

驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算放大器Rflt和Cflt組合的目標(biāo)之一是創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境，使信號穩(wěn)定在小于或等于SAR-ADC的0.5 LSB的電壓。隨著SAR-ADC分辨率的提高，建立容差變得越來越小（表1）。

SAR-ADC位數(shù)0.5 LSB限制時(shí)間限制10 0.0488281％8 12 0.0122070％9 14 0.0030518％11 16 0.0007629％12 18 0.0001907％13 20 0.0000477％15 22 0.0000119％17 24 0.0000030％18

表1：隨著SAR-ADC比特?cái)?shù)的增加，采樣信號的精度也會(huì)增加。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

在上表中，0.5 LSB限值的計(jì)算等于100 * 0.5/2 N ，其中N等于SAR-ADC的位數(shù)。 AD4003BRMZ-ND是一個(gè)18位SAR-ADC，因此根據(jù)表格，18位ADC所需的時(shí)間常數(shù)為13。

SAR-ADC輸入信號必須在轉(zhuǎn)換器的時(shí)間。對于ADA4003轉(zhuǎn)換器，這至少為290 ns。

ADA4940-1,0.1％，2 V步進(jìn)建立時(shí)間為37 ns。因此，我們很有可能在290 ns（ADC的采集時(shí)間tAQU）內(nèi)進(jìn)行采樣。

要考慮的最后一個(gè)關(guān)鍵問題是系統(tǒng)噪聲。

系統(tǒng)噪聲

最好使放大器的噪聲貢獻(xiàn)至少比SAR-ADC噪聲低五倍。 SAR-ADC噪聲規(guī)范是SNR或信噪比。 SNR規(guī)格單位為分貝或dB。

其中V1/f_AMP_PP是以rms為單位的峰峰值閃爍噪聲，en_RMS是寬帶放大器噪聲，f-3dB是3 dB帶寬Rflt/Cflt濾波器的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)＃2

設(shè)計(jì)二采用德州儀器的ADS8860IDRCT，16位，1 MSPS，SAR-ADC和THS4531ID，全差分運(yùn)算放大器。 SAR-ADC輸入結(jié)構(gòu)的基本模型還包括兩個(gè)開關(guān)（SWsampl，SWconv），輸入開關(guān)電阻（Rsw）和采樣電容Csampl（圖4）。

圖4：ADS8860具有偽差分輸入級。良好的SAR-ADC輸入模型有助于確定合適的放大器驅(qū)動(dòng)器和抗混疊濾波器。 （圖片來源：Digi-Key Electronics）

ADS8860開關(guān)與AD4003的操作類似。雖然兩個(gè)ADS8860輸入均采集各自的輸入信號，但反相輸入的輸入范圍僅限于幾百毫伏。當(dāng)采樣開關(guān)（SWsampl）閉合時(shí)，兩個(gè)輸入都經(jīng)歷相同的高頻電壓/電流尖峰。

ADS8860的tAQU和吞吐速率（1/fsample），1 MHz采樣，16位SAR-ADC分別為290 ns和1μs（圖5）。

圖5：ADS8860 3線操作。 CONVST用作片選（圖像源。德州儀器）

輸入信號伏特每微秒最小壓擺率（SRmin）等于p * fin * Vout-pp * 10 -6 。例如，如果頻率和輸出峰峰值電壓（Vout-pp）分別為250kHz和2伏，則信號轉(zhuǎn)換速率為1.57伏/微秒。同樣，同樣的經(jīng)驗(yàn)法則適用：選擇轉(zhuǎn)換速率大于或等于2 * SRmin的運(yùn)算放大器。 THS4531指定的壓擺率為200伏/μsec。

確定Cflt

對于ADS8860，Cflt必須等于或大于Csampl的十倍，或550 pF（圖1） ）。對于這篇文章，Cflt是1 nF。 Cflt過程應(yīng)該再次為C0G或NPO。

確定Rflt作為隔離劑和抗混疊濾波器的值

Rflt/Cflt對增加一個(gè)極點(diǎn)和零到放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)（圖6）。

圖6：德州儀器THS4531的開環(huán)增益與頻率曲線。 Rflt和Cflt改變放大器的開環(huán)增益曲線。為了穩(wěn)定，開環(huán)增益（Aol）和閉環(huán)增益（Acl）曲線的閉合速率必須為20 dB/decade。 （圖像來源：Digi-Key Electronics）

第一種設(shè)計(jì)的Rflt和Cflt值，使用THS4531和ADS8860，分別等于50 W和1 nF（等式1,2和3） ）。

這個(gè)一階抗混疊濾波器的響應(yīng)取決于Rflt和Cflt的值。該濾波器的轉(zhuǎn)角頻率的變量是fflt（等式4）。 Rflt和Cflt以高于1.13 MHz的20 dB/decade的速率衰減模擬路徑中的噪聲。請注意，fflt等于fzx。

放大器選擇

放大器的建立時(shí)間與Rflt/Cflt網(wǎng)絡(luò)的建立時(shí)間相結(jié)合，以產(chǎn)生復(fù)合系統(tǒng)建立時(shí)間。/p>

驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算放大器Rflt和Cflt組合的目標(biāo)之一是創(chuàng)建一個(gè)環(huán)境，使信號穩(wěn)定在小于或等于SAR-ADC的0.5 LSB的電壓。隨著SAR-ADC分辨率的提高，建立容差變得越來越?。ū?）。 ADS8860是一款16位SAR-ADC。根據(jù)表格，16位ADC所需的時(shí)間常數(shù)為12。

SAR-ADC輸入信號必須在轉(zhuǎn)換器的tAQU時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來。對于ADS8860轉(zhuǎn)換器，這至少為290 ns。 THS4531的0.01％，2伏步進(jìn)建立時(shí)間為150 ns。因此，很有可能在290 ns（ADC的采集時(shí)間tAQU）內(nèi)進(jìn)行采樣。

結(jié)論

如上所述，數(shù)據(jù)僅與其準(zhǔn)確性一樣有效。對于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，精度至關(guān)重要，因此成功的設(shè)計(jì)始于數(shù)據(jù)采集。

本文提供設(shè)計(jì)方程式，以獲得SAR-ADC器件的正確驅(qū)動(dòng)放大器和抗混疊濾波器。這些方程式將放大器的帶寬，壓擺率和噪聲與SAR-ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間和采集時(shí)間相匹配，從而創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定，精確的系統(tǒng)。通過回顧和理解設(shè)計(jì)公式，可以使用所示的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)實(shí)例來設(shè)計(jì)SAR-ADC驅(qū)動(dòng)放大器系統(tǒng)。

請注意，模擬和臺(tái)架驗(yàn)證是最后的步驟在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中。