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2021-04-28
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前端包括两个部分：驱动放大器和RC滤波器。放大器调节输入信号，同时充当信号源与ADC输入端之间的低阻抗缓冲器。RC滤波器限制到达ADC输入端的带外噪声，帮助衰减ADC输入端中开关电容的反冲影响。
为SAR ADC选择合适的放大器和RC滤波器可能很困难，特别是当应用不同于ADC数据手册的常规用途时。根据各种影响放大器和RC选择的应用因素，我们提供了设计指南，可实现最佳解决方案。主要考虑因素包括：输入频率, 吞吐速率和 输入复用.
选择合适的RC滤波器
要选择合适的RC滤波器，必须计算单通道或多路复用应用的RC带宽，然后选择R和C的值。
图1显示了一个典型的放大器、单极点RC滤波器和ADC。ADC输入构成驱动电路的开关电容负载。其10 MHz输入带宽意味着需要在宽带宽内保证低噪声以获得良好的信噪比(SNR)。RC网络限制输入信号的带宽，并降低放大器和上游电路馈入ADC的噪声量。不过，带宽限制过多会延长建立时间并使输入信号失真。
图1. 典型放大器、RC滤波器和ADC
在建立ADC输入和通过优化带宽限制噪声时所需的最小RC值，可以由假设通过指数方式建立阶跃输入来计算。要计算阶跃大小，需要知道输入信号频率、幅度和ADC转换时间。转换时间, tCONV（图2）是指容性DAC从输入端断开并执行位判断以产生数字代码所需的时间。转换时间结束时，保存前一样本电荷的容性DAC切换回输入端。此阶跃变化代表输入信号在这段时间的变化量。此阶跃建立所需的时间称为 "反向建立时间".
图2. N位ADC的典型时序图
在给定输入频率下，一个正弦波信号的最大不失真变化率可通过下式计算：
如果ADC的转换速率大大超出最大输入频率，则转换期间输入电压的最大变化量为：
这是容性DAC切换回采集模式时出现的最大电压阶跃。然后，DAC电容与外部电容的并联组合会衰减此阶跃。因此，外部电容必须相对较大，达到几nF。此分析假设输入开关导通电阻的影响可忽略不计。现在需要建立的阶跃大小为：
接下来计算在ADC采集阶段，ADC输入建立至½ LSB的时间常数。假设阶跃输入以指数方式建立，则所需RC时间常数τ为：
其中，tACQ 为采集时间，NTC 为建立所需的时间常数数目。所需的时间常数数目可以通过计算阶跃大小VSTEP与建立误差（本例为½ LSB）之比的自然对数来获得：
因此，
将上式代入前面的公式可得：
等效RC带宽
示例:借助RC带宽计算公式，选择16位ADCAD7980 （如图3所示），其转换时间为710 ns，吞吐速率为1 MSPS，采用5 V基准电压。最大目标输入频率为100 kHz。计算此频率时的最大阶跃：
然后，外部电容的电荷会衰减此阶跃。使用27 pF的DAC电容并假设外部电容为2.7 nF，则衰减系数约为101。将这些值代入VSTEP计算公式：
接下来计算建立至½ LSB（16位、5 V基准电压）的时间常数数目：
采集时间为：
计算τ：
因此，带宽为3.11 MHz， REXT 为 18.9 Ω.
图3. 采用16位1 MSPS ADC AD7980的RC滤波器
最小带宽、吞吐速率和输入频率之间的这种关系说明：输入频率越高，则要求RC带宽越高。同样，吞吐速率越高，则采集时间越短，从而提高RC带宽。采集时间对所需带宽的影响最大；如果采集时间加倍（降低吞吐速率），所需带宽将减半。此简化分析未包括二阶电荷反冲效应，它在低频时变成主要影响因素。输入频率非常低时（
多路复用 输入信号很少是连续的，通常由不同通道切换产生的大阶跃组成。最差情况下，一个通道处于负满量程，而下一个通道则处于正满量程（见图4）。这种情况下，当多路复用器切换通道时，阶跃大小将是ADC的满量程，对于上例而言是5 V。
图4. 多路复用设置
在上例中使用多路复用输入时，线性响应所需的滤波器带宽将提高到3.93 MHz（此时阶跃大小为5 V，而非单通道时的1.115 V）。假设条件如下：多路复用器在转换开始后不久即切换（图5），放大器和RC正向建立时间足以使输入电容在采集开始前稳定下来。
图5. 多路复用时序
对于计算得到的RC带宽，可以利用表1进行检查。从表中可知，要使满量程阶跃建立至16位，需要11个时间常数（如表1）。对于计算的RC，滤波器的正向建立时间为11 × 40.49 ns = 445 ns，远少于转换时间710 ns。正向建立不需要全部发生在转换期间（容性DAC切换到输入端之前），但正向和反向建立时间之和不应超过所需的吞吐速率。对于低频输入，信号的变化率低得多，因此正向建立并不十分重要。
表1. 建立至N位分辨率所需的时间常数数目
分辨率（位）
LSB (%FS)
建立至1 LSB误差的时间常数数量
6
1.563
4.16
8
0.391
5.55
10
0.0977
6.93
12
0.0244
8.32
14
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