怎样规划一个高精度模数转化ADC？

　　有一段时刻没说过模仿芯片了，今日咱们就聊一聊模仿芯片，特别是模数转化芯片ADC。

　　从实质上来看，模仿芯片和数字芯片最首要的差异，便是处理信号的不同。望文生义，模仿芯片处理的是模仿信号，而数字芯片处理的是数字信号。模仿信号是跟着时刻接连改动的，比方温度、湿度、声响、速度等等。它们最大的特点是，在必定的时刻规模内有无数个不同的取值。

　　相比之下，数字信号便是一堆不接连的数值，比方核算机里用的二进制0101。由于晶体管有开和关两种状况，所以能够很天然的表明0和1 两种数值。晶体管没办法做到类似于10%开、或许31.5%关这样的状况，所以它是一个数字信号。

　　为了衔接模仿和数字这两个彼此独立的范畴，就需求运用两种芯片作为桥梁，一个是模数转化芯片ADC、别的一个是数模转化芯片DAC。

　　望文生义，模数转化芯片ADC便是用来把模仿信号转化成数字信号，而模数转化DAC便是正好反过来，把数字信号转化成模仿信号。不过在实践运用里，ADC的占比更高。有数据显现，在模仿数字彼此转化的运用里，有80%是ADC。特别是在数字化社会，简直一切东西都被数字化了，便利后续的处理、传输和存储。

　　许多朋友或许觉得，不便是模仿信号转成数字信号嘛，听起来如同没什么难度。实践上，ADC芯片是模仿芯片中难度最高的，乃至或许没有之一。在半导体和集成电路范畴的尖端会议ISSCC、也便是世界固态电路会议上，就有适当一部分文章是介绍ADC规划。

　　那么，终究模数转化ADC是怎样完结的呢？简略来说需求采样（Sampling）、量化（Quantization）、编码（Encoding）这么几个进程。也便是说，咱们首要需求对这个信号进行采样，每隔一段时刻记载一下信号其时的电压值。收集到的数值会经过量化，转化成相应的数字信号值，最终再经过某种编码表明出来，比方补码、格雷码等等。

　　ADC有许多个参数方针，其间有两个常见的参数，一个是ADC的采样速率（sampling rate）或许叫数据速率(data rate)，另一个是分辩率（resolution）。采样速率很好了解，便是单位时刻内能做多少次采样，采样点数越多，就越能复原初始信号的姿态。

　　分辩率被界说为输入信号值的最小改动，这个最小数值改动会改动ADC数字输出值的一个码值。在ADC有相同输入规模的情况下，分辩率越高，一个码值所代表的最小改动就越小。假如咱们的ADC有3位，那么就能够把整个电压规模分红2^3=8份。假如电压改动规模是0-10V，那么每份就代表1.25V。也便是说，假如电压的改动小于这个值，那么ADC就没办法捕捉到这个细微的改动。需求留意的重要一点是，ADC的分辩率（resolution）和ADC的精度(accuracy)是两个彻底不同的概念。

　　ADC的具体完结方式有许多种，常见的包含逐次迫临型ADC（SAR），还有一种叫Delta-Sigma ADC。比方常见的逐次迫临型ADC在电路里首要集成了一个电压比较器、一个寄存器、还有一个DAC，以及一些控制电路。它的实质便是用二分查找来确认模仿电压对应的数字信号。也便是一开端先拿输入电压和参阅电压的一半比较，假如输入电压更大，那就再和参阅电压的四分之三再比较。相反，假如输入电压更小，那就在和参阅电压的四分之一做比较。以此类推，直到比较完结。

　　但是，即使是最根底的ADC，它在实践的工程运用中也并不简略，因而配套的资源支撑也就显得尤为重要。比方，ADC往往不能独立作业，它们需求合作其他的外部电路才干发挥效果，这儿边最重要的外部电路之一便是驱动电路。

　　前面说过，ADC需求对输入信号进行采样、量化和编码，而且输出N位的数字信号，这些操作一般都在数字时钟的一个周期里完结。这就意味着，在采样的进程里，输入信号应该坚持不变。这有点类似于数字信号里时钟的坚持时刻。

　　在ADC内部，它的输入端其实包含开关和电容阵列，一般等效成一个开关和一个采样电容。当开关闭合的时分，电容充电；等充好电之后，开关断开，，比较器和DAC彼此合作在这个时分完结ADC的采样量化的操作。

　　这样问题就来了，首要，假如对ADC的功能要求比较高，比方需求它的采样频率很高，那么把ADC内部这个电容进行充电的时刻就会很短。打个比方，假如采样频率是每秒100万次采样，那么充电时刻、即捕获时刻（TACQ）或许只要300纳秒。假如输入端不加任何电路作为驱动，那么基本就无法满意这么高采样频率的需求。所以针对这个问题，咱们一般会在ADC前端加上一个运算放大器作为驱动，这样就能够在较短的采样时刻之内供给满意的电荷给采样电容。

　　这样还没完，尽管咱们能够直接把运放和ADC直接衔接起来，但咱们在实践运用里很少这么规划。由于在采样频率很大的时分，直接连运放的话就需求很高带宽的运放。别的从仿真里也能够看到，在开关切换的时分，一开端的转化或许会发生较大的瞬时电流，而且驱动电路需求能够在较短的ADC捕获时刻（TACQ）之内对ADC内部的采样电容完结充电。

　　为了满意这些条件，而且防止呈现很大的瞬时电流，咱们能够在ADC之前参加一个RC电路。大学电路里咱们学过，RC电路是用来做滤波的，但这儿它的首要效果便是运用这个额定的电容，完结愈加快速的充电。运放能够把这个电容充溢，然后等ADC内部开关闭合的时分，经过这个电容给ADC内部的电容充电。当然除了这个电容之外，一部分的电荷也来自前端的运放。这个RC电路也叫做charge bucket filter电路，它能够有用的下降对前端运放带宽的需求，所以咱们挑选较低带宽、更低本钱的普通运放就能够满意规划需求。一起它也消除掉了一开端的瞬时电流，也极大的提升了电路的稳定性。

　　问题又来了，怎样确认这些放大器和RC电路的具体巨细和方针呢？这儿有两种办法，一个便是经过理论公式进行推导，这个在网上有十分具体的推导进程，依据ADC的方针，比方分辩率、采样速率、参阅电压等等，就能够一步一步推导出所需RC电路和运放的参数数据。看了这些东西，我真的又不由得想起当年学模电的时分被它分配的惊骇……

　　当然还有别的一种办法，那便是经过现成的规划东西和仿真东西来进行仿真核算。比方德州仪器TI就供给了一系列相关的东西来简化上面一切的核算进程。一开端能够依据ADC的功能方针挑选对应的器材，然后运用ADC SAR Drive东西，来直接核算电阻电容的值，而且得到相应的功能方针。

　　为了进一步简化规划流程，TI不只供给规划东西，还有一整套完好的生态把这些东西整合起来。

　　拿SAR驱动规划举例，TI就供给了许多经典的ADC电路规划方案, 比方这个“高电压电池监控器电路”就一步一步的教咱们从规划说明方针，到怎样挑选适宜的器材、怎样建模仿真，并得到抱负的功能方针。而且在规划的进程中，能够随时回忆 “TI 高精度实验室”视频系列作为参阅。

　　具体到这个电路，咱们能够随时检查”高精度实验室”里介绍的挑选电荷桶电路（charge bucket filter）的办法，并为这个比如里的放大器、增益设置和数据转化器供给杰出的趋稳和沟通功能。咱们还能够直接下载这个电路的规划文件，依照需求来对规划进行改修正。

　　关于ADC来说，除了这些外在的要素和搅扰之外，它自己自身也会引进差错，这个一般叫做量化差错。也便是说，当咱们在把一个接连改动的模仿量，量化成离散改动的数字量的时分，必然会引进这种差错。不论咱们区别的粒度有多细，分的份有多小，这种量化差错都会存在。

　　先说理论，关于一个N位的ADC，每一位代表的电压规模能够经过这个公式得到

　　其间FSR是ADC支撑的电压规模。那么在这个ADC里能够区别的最小的电压改动，便是LSB的一半。举个比如，一个3位的ADC，输入电压从0到8V之间改动。那么它的LSB便是8/2^3 = 1V，能分辩的最小电压改动是1/2V。也便是说，当输入电压是0-0. 5V之间的时分，输出其实都是0，从0.5-1.5之间的时分，输出都是1，以此类推。所以输出其实是一个阶梯曲线。

　　再结合前面说的环境噪声、也称作热噪声（thermal），那么一个ADC的总噪声便是热噪声和量化噪声的平方和再开方。

　　是不是看到这儿就有点上头了，这个其实仅仅刚开端。关于一个给定的ADC来说，咱们要去量化和丈量它的这两个噪声，这样才干更好的、有针对性的规划包含ADC的整个体系。

　　拿Delta-Sigma ADC举例，它的这两种噪声取决于ADC的分辩率、参阅电压、以及输出速率。关于一个包含ADC的体系来说，这种噪声剖析愈加的杂乱。在一个典型的模数转化体系里，一般包含各种模仿噪声滤波器、运放、ADC、以及对数字信号进行处理的数字滤波器、FPGA、MCU等模仿数字芯片，这也构成了一个信号链。要剖析这个信号链的噪声，咱们不只要对ADC自身做噪声剖析，还要考察整个信号链里每个元件的噪声，以及一切这些元件之间的彼此影响。

　　这个东西听起来如同很杂乱，但咱们能够运用信号链的有用噪声带宽（Effective Noise Bandwidth）来量化这个剖析进程。当然咱们也需求一系列的东西、软件和参阅资料，来协助咱们做定量剖析。

　　事实上，前面的许多内容都来自TI的电子书《高精度ADC噪声剖析根底》。这本书结合了很多TI工程师的规划实践经验，具体介绍了ADC的噪声来历、怎样量化剖析、怎样有用的规划电路来优化ADC的噪声体现。这本书写的十分通俗易懂，一起也统筹了技能深度，激烈推荐给咱们。

　　在前面说过的TI”高精度实验室”教程里，除了这儿介绍的驱动电路规划和噪声剖析之外，还有最基本的ADC根底、SAR与Delta-sigma ADC的原理与比较、差错剖析、低功耗规划、高速规划等等，十分全面。每个视频后还有配套习题，便利咱们稳固学习效果。我觉得不管你是模电新手仍是老炮，都能找到合适你的内容。

　　“高精度实验室”、ADC电路规划辅导手册都是TI ADC东西箱的一部分，这儿边还有《模仿工程师口袋参阅书》，能够用来快速查找和核算各种信号链的调参办法，包含运放带宽、稳定性等等。这些规划资源能够和ADC 模仿工程师核算器，TI TINA 以及Pspice for TI 合作运用，形成了一站式的规划体会。我把这些内容的链接都放在了下面的参阅资料里，想学习这方面常识的朋友，必定记住从这儿开端。