SAR ADC的驱动电路设计存在多个难点，处理不当将导致ADC输出码值跳动范围巨大。上周接触到的一个案例就是这样，与工程师检视完原理图，发现工程师是一款仪表放大器直接驱动16bit 1．5M SAR ADC，并且模拟电路由DCDC直接供电。查阅相应数据手册，开玩笑道“SAR ADC驱动的三个坑全占了”，其中两个问题此前已经讨论，1）开关电源纹波影响《开关电源供电电路中放大器电源抑制比的影响与改善方法》；2）驱动放大器的建立时间不足《放大器建立时间参数仿真》。而第三点是SAR ADC输入端缺少RC电路，关于这个RC电路在《放大器输出阻抗在有源滤波器设计中的影响评估》中提过，它的作用并不是滤波！！！本篇将详细讨论驱动RC的用途与设计方法，同时提供便捷化设计工具，并结合LTspice进行仿真。
1 SAR ADC模型与驱动原理
SAR型ADC输入端电路如图4．26（a），在采集阶段SAR型ADC的开关SW＋，SW－连接到地（GND），独立电容开关矩阵连接到输入端，捕捉INx＋与INx－输入端模拟信号。采集完成进入转换阶段时，开关SW＋、SW－断开，独立电容开关矩阵连接到地输入，INx＋与INx－输入间差分电压施加到比较器输入端，导致比较器不平衡，按照二级制加权电压变化实现数字转化。
图4．26SAR型ADC输入电路及模型
简化的SAR型ADC模型如图4．26（b），当开关S1闭合S2断开，输入信号Vin向电容CADC充电，电容电压VADC到达输入信号Vin电压时采样结束，进入转换阶段。
图4．27SAR型ADC驱动电路
VADC波形如图4．28（a）。因此需要驱动电路使电容CADC尽快充电，驱动电路需要使用放大器和输出RC组成，如图4．27。在S1闭合时，CADC没有电荷，VIN电压瞬间向下反冲，如图4．28（b）。在放大器与CFILT共同向CADC提供电荷，VADC电压逐步上升到与输入电压VIN相同时，输入采集阶段完成。
图4．28采集阶段Vin与VADC电压
采集时间tACQ由RFILT、CFILT、CADC决定，完成充电的建立时间t为式4－17。
CADC电压值VACD由电容CFILT、CADC，以及加载两个电容上的电荷量QFILT、QADC，为式4－18。
由于初始采集时，QADC，QFILT为VIN与CFILT的乘积，反冲电压最低点值为式4－19。
而反冲电压为式4－20。
由RC网络所产生的时间常数τ0．63为式4－21。
其中，VREF为基准源参考电压值，n为ADC位数。
根据工程经验，从VADC出现反冲恢复到距离VIN电压小于0．5倍LSB电压时，定义为采集时间tACQ，该指标可以在ADC数据数据手册中找到。所选择的RC参数在ADC驱动过程中，需要满足采集时间、时间常数、建立时间的关系为式4－22。
根据式4－22确认RC参数值，但上述推论没有考虑如下问题：
1）ADC采样的带宽为式4－23。
所以RC参数的选择往往要在带宽和采集时间之间多次迭代计算。
2）真实放大器的参数中，开环输出阻抗的影响不可忽略，RFILT需要结合输出阻抗。
3）由于ADC内部采样电容的非线性，当RFILT值变大会导致ADC采样失真，该失真不能通过降低采样率改善。
因此，高效的设计SAR型ADC驱动的方法仍然是使用辅助工具和LTspice仿真软件。
2 SRA ADC驱动辅助工具使用
在ADI 官网精密信号链设计工具界面，选择“ADC Driver”进入ADC驱动工具窗口。如图4．29（a），“ADC”项中选择ADC的型号，输入采样率值和基准源电压值。在“Driver”项中，选择放大器型号和电路结构，输入增益值、反馈电阻值、工作电压值。在“input”项选择输入信号类型与输入频率值。在“Fliter”项，输入RC参数值。在“Circuit”窗口查看电路结构图。进入“Niose＆Distortion”窗口，工具提供电路的THD等信息 ，如图4．29（b）。
图4．29SAR型ADC驱动电路配置
进入“Input Setting”窗口，工具提供计算电路的反冲电压值，ADC采集时间、RC电路带宽参数，如图4．30（a）。当RC参数配置不良时，在“Niose＆Distortion”窗口与“Input Setting”窗口会提供警告。工具还能够生成LTspice电路，在“Next Step”窗口下载，如图4．30（b）。
图4．30 SAR型ADC驱动电路性能
3 LTspice仿真SAR型ADC驱动
如图4．29中ADC 使用LTC2378－16，输出速率为1MSPS，基准源电压为5V。放大器使用ADA4945－1，增益配置为1，电源轨电压为－0．6V与5．6V，RFILT为20Ω，CFILT为3．3nf。得到反冲电压为67mV，RC建立时间应该小于采集时间tACQ460ns。由图4．30（d）下载仿真的电路如图4．31。
图4．31 LTC2378－16驱动电路
瞬态分析结果如图4．32，电压从4．99979最低跌落到4．93705V，反冲电压为62．74mV，RC建立时间为358．5ns小于采集时间tACQ460ns，与预期设计近似。所以读者可以使用在线工具高效SAR ADC驱动放大器选型，以及根据具体放大器型号设计RC参数进行验证。
图4．32 LTC2378－16驱动电路仿真结果
如图4．31在电路中，双击进入LTC2378－16进入内部电路，如图4．33。由S1、S3控制信号经过电阻R1、R2，向电容C1、C2充电。其中R1、R2、C1、C2可由规格书确认。
图4．33 LTC2378－16 Spice模型电路
如图4．34中 LT2378输入电阻为40Ω，输入电容为45pF。根据ADC时序操作，设计开关控制的时钟，实现SAR型ADC的模型。
图4．33 LTC2378－16 输入模型
综上，SAR ADC驱动放大器的选型与RC电路设计工作是具有极高挑战的，不乏一些经验丰富老司机也会在此栽跟头，所以笔者介绍设计原理，更多的推荐是借助辅助工具设计，以及LTspice进行仿真。此外，之前的文章都是以实际器件模型仿真电路性能，通过篇文章抛砖引玉，希望读者能对LTspice建模有初步的认识，这也是LTspice的重要应用方向。
