探索不同的SAR ADC模拟输入架构

逐次逼近寄存器模数转换器（通常称为SAR ADC）是一类通用的模数转换器，可产生连续模拟波形的数字（离散时间）表示。它们通过电荷再分配过程完成此任务，其中将已知的固定电荷量与从输入到ADC的采集电荷进行比较。在此过程中，通过所有可能的数字代码（量化电平）执行二进制搜索，其中最终结果收敛于使内部外壳比较器恢复平衡的代码。1和0的组合表示电路生成的决策序列，使系统恢复平衡状态。

从高层次来看，SAR ADC是一款多功能、易于使用、完全异步的数据转换器。尽管如此，在决定将哪个转换器用于特定应用时，还是需要做出一些选择。在这里，我们将重点介绍ADI公司SAR ADC产品组合中可用的模拟输入信号类型。应该注意的是，尽管重点是SAR ADC，但输入类型对于所有ADC架构都是通用的。根据所考虑电路的源类型或总体目标，需要做出某些设计决策和权衡。最简单的解决方案是将ADC输入类型与信号源输出配置相匹配。但是，源信号可能需要调理以改变信号类型，或者可能存在影响模拟输入类型决策的成本、功耗或面积考虑因素。让我们探讨一下不同的可用模拟输入类型。

单端

最简单的模拟输入类型是单端输入。在这种情况下，只需一根导线即可将信号从源端传输到ADC。将有一个输入引脚，没有直接返回或检测路径返回到信号源。转换结果将相对于ADC的接地引脚生成。根据具体器件的不同，输入可以是单极性或双极性。在单端情况下，简单是它的优点。只需一条迹线即可将信号从源端传输到ADC。这可以降低系统的复杂性，同时降低整个信号链的功耗。这种简单性可能需要权衡。单端设置不会抑制信号链中存在的直流失调。单端系统依赖于相对于载流接地层进行测量，源极接地和ADC接地之间的电压差将出现在转换结果中。此外，设置更容易受到耦合噪声的影响。因此，信号源和ADC应保持靠近，以减轻这些影响。如果SAR ADC是单极性单端配置，则允许的信号摆幅介于地电位和正满量程之间，通常由ADC基准输入设置。单端单极性输入的可视化表示如图1所示。具有单端单极性输入的器件包括AD7091R和AD7091R-8。

图1.单极性单端。

如果SAR ADC是双极性单端配置，则允许的信号摆幅介于正满量程和负满量程之间。同样，满量程通常由ADC基准输入设置。单端双极性输入的可视化表示如图2所示。具有单端双极性输入的器件是AD7656A-1。

图2.双极单端。

伪差速器

如果需要检测信号接地或将相对测量结果与载流接地层去耦，信号链设计人员可能需要考虑改用伪差分输入结构。伪差分器件本质上是具有接地检测的单端ADC。该器件正在执行差分测量，但检测到的差分是相对于输入信号接地电平测量的单端输入信号。单端输入被驱动到ADC的正输入（IN+），输入接地电平被驱动到ADC的负输入（IN−）。需要注意的一点是，信号链设计人员必须注意负输入的模拟输入范围。在某些情况下，与正输入相比，负输入引脚的输入范围有限。在这些情况下，正输入可以在允许的输入电压范围内自由摆动，而ADC的负输入可能被限制在ADC地周围的一些较小的±电压范围内。每个ADC输入的允许输入范围可在数据手册中找到。寻找名为绝对输入电压的规格，如图3所示。

图3.绝对输入电压示例。

如果IN−电压范围有限的伪差分器件（如AD7980）需要抑制大于绝对输入电压范围的不需要的信号，则信号链设计人员可能需要考虑使用仪表放大器来消除这些较大的共模，然后再向ADC提供信号。伪差分有三种配置：单极、伪双极和真双极。ADI SAR ADC产品组合提供可提供每种配置的器件。在单极性伪差分设置中，单端单极性信号被驱动到ADC的正输入端，信号源地被驱动到ADC负输入端，如图4所示。具有单极性伪差分输入的器件示例包括AD7980和AD7988-5。

图4.单极伪差分。

在伪双极性设置中，单端单极性信号被驱动到ADC的正输入端。但是，该输入不是将信号源接地驱动到负ADC输入，而是看到满量程电压的一半。在这种情况下，输入范围将被视为±V司 司长/2而不是 0 到 V司 司长.动态范围没有增加，单极性情况和伪双极性情况之间的差异是正输入的测量值。与单极性伪差分情况一样，伪双极性负输入的输入范围有限。但是，现在它±一些关于V的电压司 司长/2而不是地面。伪双极性输入范围图如图5所示。在这种情况下，V关闭= V司 司长/2.具有伪双极性输入选项的器件示例是AD7689。

图5.伪双极。

伪差分真双极性情况的工作方式与单极性伪差分情况非常相似，只是单端正ADC输入可以在地电位以上和以下摆动。通常，峰峰值输入范围是基准电压的两倍或该比率的倍数。例如，如果基准电压为5 V，则伪差分真双极性器件可以接受±5 V范围内的输入。 图6显示了伪差分真双极性输入范围图。具有伪差分真双极性输入的器件示例是AD7606。

图6.伪差分真双极。

微分

与单端架构相比，伪差分架构的优势在于能够抑制转换系统中的某些扰动信号。但是，有一种架构可以提供相同的抑制优势，同时还可以增加系统的动态范围。差分架构允许用户最大化ADC的输入范围。与单端或伪差分方案相比，差分信号能够在给定电源和基准电压源设置下将输入范围加倍，动态范围最多可增加6 dB，而不会增加器件功耗。

ADI提供两种带差分输入的器件。这里介绍的第一种类型是差分反相。在这种情况下，ADC正在转换ADC的正输入和负输入之间的差值，而正输入和负输入彼此摆动180°。通常，差分反相器件是单极的。因此，差分的每个支路将在地和正满量程之间摆动，由基准输入设置。由于差分的支腿异相180°，输入的共模是固定的。就像伪差分器件一样，差分反相器件可以限制其允许的共模输入范围。该范围可在产品数据手册的规格表中找到，如图7所示。对于任一 ADC 输入的绝对输入范围为 0 V 至正满量程的器件，共模电压为 V FS/2.在大多数情况下，对于高分辨率（16位或更高）差分反相SAR ADC，共模电压范围约为典型共模电压±100 mV。

图7.差分共模输入范围。

差分反相器件通常在需要绝对最佳性能时选择。差分信号将提供最大的噪声抑制，并且往往会抵消有序失真特性。如图8所示，当差分支腿向相反方向摆动时，相对于单端和伪差分配置，动态范围和SNR得到改善。

图8.动态范围因差分信号而增加。

如果需要在信号源为单端的信号链中最大限度地提高系统性能，可以使用单端转差分放大器（如ADA4940-1或ADA4941-1）来正确调理输入信号，并将共模与ADC的共模相匹配。与伪差分器件一样，如果系统中存在较大的共模，则应使用仪表放大器来调理大部分共模。差分ADC可以处理共模下的细微变化，聚合信号链将具有出色的CMRR。图9显示了差分反相输入范围图。具有差分反相输入的器件示例包括AD7982、AD7989-5和AD7915。

图9.差异反相。

共模范围限制对于实现最佳性能且不会对转换器动态范围产生负面影响是必要的。在操作差分反相器件时，观察到一些常见的错误会违反共模范围。图10显示了在实现差分反相器件时经常产生的用户误差。在这种情况下，差分信号不是180°异相。因此，两个ADC输入引脚之间的共模变化很大，并且违反了在图7约束下工作的器件的数据手册。

图 10.共模冲突。

其他常见的差分反相位误差包括180°异相信号，但共模不正确，或者ADC的IN−引脚连接到直流基座电压。在负ADC输入端提供ADC电压将很快违反共模范围规范，并且还会消除差分信号的动态范围优势。第二种类型的差分信号是测量任意两个信号之间的差分，而不考虑共模。ADI提供一系列基于SAR ADC技术的集成数据采集解决方案，可测量全差分信号。对于正在寻找具有宽允许输入共模范围的集成数据采集解决方案的信号链设计人员，ADI提供了ADAS3022和ADAS3023。这些分别是双极性顺序和同步采样数据采集系统，共模范围宽至±10 V。在此范围内，它们能够表示任何两个信号之间的差异。

模拟输入类型会影响数字输出编码。具有单极性输入范围的转换器（例如单端单极性和伪差分）将采用直接二进制编码。

代码0表示负满量程输入电压，代码2N − 1（其中N是位数）表示正满量程输入。具有极性±输入的设备将采用二进制补码编码，以便向用户显示符号位。极性±器件包括单端双极性、伪差分双极性、伪双极性和所有差分器件。对于这些ADC，负满量程输入由代码−2N − 1表示，正满量程输入由代码2N − 1 − 1表示。

SAR ADC是一种多功能、低功耗、高性能选项，用于创建模数转换信号链。这些设备非常容易实现。但是，为了从系统中获得所需的性能，必须做出某些体系结构选择。本文重点介绍ADI公司SAR ADC产品组合中提供的模拟输入类型选择。每种输入类型都有某些好处，必须与特定的权衡进行比较。如前所述，做出正确的选择对于实现最佳性能至关重要。

审核编辑：郭婷