SAR模数转化器的前端器材包含两个部分：驱动扩大器和RC滤波器。扩大器调理输入信号，一起充任信号源与ADC输入端之间的低阻抗缓冲器。RC滤波器约束抵达ADC输入端的带外噪声，协助衰减ADC输入端中开关电容的反冲影响。
为SAR ADC挑选适宜的扩大器和RC滤波器或许很困难，特别是当运用不同于ADC数据手册的惯例用处时。依据各种影响扩大器和RC挑选的运用要素，咱们供给了规划攻略，可完成最佳解决方案。首要考虑要素包含：输入频率、吞吐速率和输入复用。
1 挑选适宜的RC滤波器
要挑选适宜的RC滤波器，有必要核算单通道或多路复用运用的RC带宽，然后挑选R和C的值。
图1显现了一个典型的扩大器、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输入带宽意味着需求在宽带宽内保证低噪声以取得杰出的信噪比(SNR)。RC网络约束输入信号的带宽，并下降扩大器和上游电路馈入ADC的噪声量。不过，带宽约束过多会延伸树立时刻并使输入信号失真。
图1. 典型扩大器、RC滤波器和ADC
在树立ADC输入和经过优化带宽约束噪声时所需的最小RC值，能够由假定经过指数办法树立阶跃输入来核算。要核算阶跃巨细，需求知道输入信号频率、起伏和ADC转化时刻。转化时刻tCONV(图2)是指容性DAC从输入端断开并履行位判别以发生数字代码所需的时刻。转化时刻结束时，保存前一样本电荷的容性DAC切换回输入端。此阶跃改变代表输入信号在这段时刻的改变量。此阶跃树立所需的时刻称为“反向树立时刻”.
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改变率可经过下式核算：
假如ADC的转化速率大大超出最大输入频率，则转化期间输入电压的最大改变量为：
这是容性DAC切换回收集形式时呈现的最大电压阶跃。然后，DAC电容与外部电容的并联组合会衰减此阶跃。因而，外部电容有必要相对较大，到达几nF.此剖析假定输入开关导通电阻的影响可忽略不计。现在需求树立的阶跃巨细为：
接下来核算在ADC收集阶段，ADC输入树立至½LSB的时刻常数。假定阶跃输入以指数办法树立，则所需RC时刻常数τ为：
其间， tACQ 为收集时刻， NTC 为树立所需的时刻常数数目。所需的时刻常数数目能够经过核算阶跃巨细 VSTEP, 与树立差错(本例为½LSB)之比的自然对数来取得：
因而，
将上式代入前面的公式可得：
等效RC带宽 =
示例： 凭借RC带宽核算公式，挑选16位ADC AD7980 (如图3所示)，其转化时刻为710 ns,吞吐速率为1 MSPS,选用5 V基准电压。最大方针输入频率为100 kHz.核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。运用27 pF的DAC电容并假定外部电容为2.7 nF,则衰减系数约为101.将这些值代入 VSTEP 核算公式：
接下来核算树立至½LSB(16位、5 V基准电压)的时刻常数数目：
收集时刻为：
核算τ：
因而，带宽为3.11 MHz, REXT 为 18.9 Ω.
图3. 选用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联系阐明：输入频率越高，则要求RC带宽越高。相同，吞吐速率越高，则收集时刻越短，然后进步RC带宽。收集时刻对所需带宽的影响最大;假如收集时刻加倍(下降吞吐速率)，所需带宽将折半。此简化剖析未包含二阶电荷反冲效应，它在低频时变成首要影响要素。输入频率十分低时(<10 kHz,包含DC)，容性DAC上树立的始终是大约100 mV的电压阶跃。此数值应作为上述剖析的最小电压阶跃。
多路复用 输入信号很少是接连的，一般由不同通道切换发生的大阶跃组成。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，阶跃巨细将是ADC的满量程，关于上例而言是5 V.
图4. 多路复用设置
在上例中运用多路复用输入时，线性呼应所需的滤波器带宽将进步到3.93 MHz(此刻阶跃巨细为5 V,而非单通道时的1.115 V)。假定条件如下：多路复用器在转化开端后不久即切换(图5)，扩大器和RC正向树立时刻足以使输入电容在收集开端前稳定下来。
图5. 多路复用时序
关于核算得到的RC带宽，能够运用表1进行检查。从表中可知，要使满量程阶跃树立至16位，需求11个时刻常数(如表1)。关于核算的RC,滤波器的正向树立时刻为11 × 40.49 ns = 445 ns,远少于转化时刻710 ns.正向树立不需求悉数发生在转化期间(容性DAC切换到输入端之前)，但正向和反向树立时刻之和不该超越所需的吞吐速率。关于低频输入，信号的改变率低得多，因而正向树立并不十分重要。表1. 树立至N位分辨率所需的时刻常数数目
核算出滤波器近似带宽后，就能够别离挑选 REXT 和 CEXT 的值。上述核算假定 CEXT = 2.7 nF,这是数据手册所示运用电路的典型值。假如挑选较大的电容，则当容性DAC切换回输入端时，对反冲的衰减起伏会更大。可是，电容越大，驱动扩大器就越有或许变得不稳定，特别是给定带宽下 REXT 值较小时。假如 REXT 值太小，扩大器相位裕量会下降，或许导致扩大器输出发生响铃振动或变得不稳定。关于串联 REXT较小的负载，应选用低输出阻抗的扩大器来驱动。能够运用RC组合和扩大器的波特图履行稳定性剖析，以便验证相位裕量是否足够。最好挑选1 nF至3 nF的电容值和合理的电阻值，以使驱动扩大器坚持稳定。此外有必要运用低电压系数的电容，如NP0型，以坚持低失真。
REXT 的值有必要能使失真水平坚持在要求的规模以内。图6显现了驱动电路电阻对失真的影响与 AD7690输入频率的函数联系。失真跟着输入频率和源电阻的进步而进步。导致这种失真的原因首要是容性DAC供给的阻抗的非线性特性。
图6. 源电阻对THD的影响与输入频率的联系
低输入频率(<10 kHz)能够支撑较大的串联电阻值。失真还与输入信号起伏有关;关于同一失真水平，较低的起伏能够支撑较高的电阻值。核算上例中的 REXT :τ = 51.16 ns,假定 CEXT 为2.7 nF,得到电阻值为18.9 Ω。这些值挨近ADI数据手册运用部分给出的常见值。
此处核算的标称RC值是有用的攻略，但不是终究解决方案。挑选 REXT 与 CEXT 之间的恰当平衡点，需求了解输入频率规模、扩大器能够驱动多大的%&&&&&%以及可接受的失真水平。为了优化RC值，有必要运用实践的硬件进行实验，然后完成最佳功能。
2 挑选适宜的扩大器
在上一部分中，咱们依据输入信号和ADC吞吐速率，核算了适宜ADC输入的RC带宽。接下来有必要运用此信息挑选适宜的ADC驱动扩大器。需求考虑如下方面：
·扩大器巨细信号带宽
·树立时刻
·扩大器噪声特性以及对体系噪声的影响
·失真
·失真关于电源轨的裕量要求
该数据手册一般会给出扩大器的 小信号带宽 .可是，依据输入信号的类型，大信号带宽 或许更重要，尤其是高输入频率(>100 kHz)或多路复用运用(由于电压摆幅较大)，并且输入信号的正向树立愈加要害。例如，ADA4841-1 的小信号带宽为80 MHz(20 mV p-p信号)，但大信号带宽仅3 MHz(2 V p-p信号)。上例选用AD7980,核算的RC带宽为3.11 MHz.关于较低的输入频率，ADA4841-1是很好的挑选，由于其80 MHz小信号带宽关于反向树立而言捉襟见肘，但在多路复用运用中则有困难，由于关于大信号摆幅，此刻的RC带宽要求进步到3.93 MHz.这种情况下，更适宜的扩大器是ADA4897-1,它具有30 MHz的大信号带宽。一般来说，扩大器的小/大信号带宽至少应比RC带广大两三倍，详细取决于是以反向树立仍是正向树立为主。假如要求扩大器级供给电压增益(这会下降可用带宽)，更适用这条准则，乃至或许需求带宽更宽的扩大器。
看待正向树立要求的另一种办法是检查扩大器的树立时刻特性，它一般是指树立到额外阶跃巨细某一百分比所需的时刻。关于16位到18位功能，一般要求树立到0.001%,但大多数扩大器仅指定不同阶跃巨细的0.1%或0.01%树立时刻。因而，为了确认树立特性是否支撑ADC吞吐速率，需求对这些数值进行折中。ADA4841-1针对8 V阶跃给出的0.01%树立时刻为1 μs.在驱动1 MSPS(1 μs周期)AD7980的多路复用运用中，它将无法使满量程阶跃的输入及时树立，但假如下降吞吐速率，例如500 kSPS或许是可行的。
RC带宽关于确认扩大器的最大容许噪声量十分重要。扩大器噪声一般经过低频1/f噪声(0.1 Hz至10 Hz)和高频时的宽带噪声谱密度(图7所示噪声曲线的平整部分)来规则。
图7. ADA4084-2电压噪声与频率的联系
折合到ADC输入端的总噪声能够依照如下办法核算。首要，核算扩大器宽带频谱密度在RC带宽上的噪声。
其间， en = 噪声频谱密度(V/Hz)， N = 扩大器电路噪声增益， BWRC = R带宽(Hz)
然后，一般经过下式核算低频1/f噪声;它一般指定为峰峰值，需求转化为均方根值。
其间，
= 1/f峰峰值噪声电压，N = 扩大器电路噪声增益。
总噪声为以上两个噪声的和方根：
为将驱动器噪声对总SNR的影响降至最低，此总噪声应为ADC噪声的1/10左右。依据方针体系的SNR要求，或许还答应更高的噪声。例如，假如ADC的SNR为91 dB, VREF= 5 V,则总噪声应小于或等于
由此值很简单算出1/f噪声和宽带噪声谱密度的最大答应值。假定拟用的扩大用具有可忽略不计的1/f噪声，以单位增益作业，并选用RC带宽为上例核算值(3.11 MHz)的滤波器，那么
因而，该扩大器的宽带噪声谱密度有必要小于或等于2.26 nV/√Hz.ADA4841-1的宽带噪声谱密度为2.1 nV/√Hz,契合这一要求。
扩大器需求考虑的另一个重要特性是特定输入频率时的失真。一般，为取得最佳功能，16位ADC需求大约100 dB的总谐波失真(THD)，18位ADC需求大约110 dB.图8显现关于2 V p-p输入信号，ADA4841-1的典型失真与频率的联系图。
图8. ADA4841-1的失真与频率的联系
图中显现的不是总谐波失真，而是一般最为重要的二次和三次谐波成分。ADA4841-1的噪声十分小，失真特性优异，足以驱动18位ADC到大约30 kHz.当输入频率挨近100 kHz或更高时，失真功能开端下降。为在高频时完成低失真，需求运用功耗更高、带宽更宽的扩大器。较大的信号也会下降功能。关于0 V至5 V的ADC输入，失真功能信号规模将进步到5 V p-p.从图8所示的失真图可看出，这将发生不同的功能，因而扩大器或许需求测验，以保证它满足要求。图9比较了多个输出电压水平的失真功能。
图9. 不同输出电压水平下失真与频率的联系
裕量，即扩大器最大实践输入/输出摆幅与正负电轨之差，也或许影响THD.扩大器或许具有轨到轨输入和/或输出，或许要求最高1 V乃至更大的裕量。即便是轨到轨输入/输出，假如作业信号电平挨近扩大器的供电轨，也将难以取得杰出的失真功能。因而，最好应挑选让最大输入/输出信号远离供电轨的电源电平。考虑一个0 V至5 V输入规模的ADC,选用ADA4841-1扩大器驱动，需求将ADC的规模进步到最大。该扩大用具有轨到轨输出，对输入有1 V的裕量要求。假如用作单位增益扩大器，则至少需求1 V的输入裕量，正电源至少有必要是6 V.输出为轨到轨，但仍然只能驱动到地或正供电轨的大约25 mV规模内，因而需求一个负供电轨，以便一向驱动到地。为了给失真功能留有必定的裕量，负供电轨能够是-1 V.
假如答应下降ADC输入规模，然后丢失必定的SNR,则能够消除负电源。例如，假如ADC的输入规模降为0.5 V至5 V,此10%丢失将导致SNR下降大约1 dB.可是，这样就能够将负供电轨接地，然后消除用以发生负电源的电路，降低功耗和本钱。
3 结语
因而，挑选扩大器时，有必要考虑输入和输出信号规模要求，以便确认所需的电源电压。本例中，额外作业电压为5 V的扩大器不能满足要求;但ADA4841-1的额外电压高达12 V,所以运用较高的电源电压将能完成超卓的功能，并供给足够的电源裕量。
