SAR ADC介绍

一、简述

为了能够使用数字电路处理模拟信号，必须将模拟信号转换为相应的数字信号，方能送入数字系统进行处理。压力、温度、声音等都是常见的模拟信号，将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件就叫做模数转换器（ADC，Analog-Digital Converter）。

逐次逼近型ADC（Successive Approximation ADC）采用的是一种反馈比较型电路结构。它的构思是这样的：取一个数字量加到DAC上，于是得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。

二、SAR ADC电路结构

下图是一个差分输入的SAR ADC基本结构，其中VIN、VIP为模拟输入。电路主要由采样保持电路、比较器（CMP）、DA转换网络（DAC）、和逐次逼近逻辑（SAR Logic）四个部分构成。其中，采样保持电路由采样开关和采样电容构成（通常采样电容由DAC电容阵列实现），用于将输入模拟信号采样到采样电容上，用于后续的转换；比较器用来比较输入信号与参考信号的大小，输出“0”或“1”一方面用于控制电容阵列的切换，同时存入寄存器等待得到N位数字码后同时输出；DA转换网络是一组二进制权重的电容阵列，由比较器输出控制切换电容上/下极板上的电压，使参考信号以二进制的方式逐次逼近输入信号，此时输出的二进制码即为当前模拟输入对应的数字输出；SAR Logic能够锁存比较器的输出并最终输出N位二进制码。

三、SAR ADC工作原理

​ SAR ADC以“二分法”为核心原理，通过对模拟输入信号不断进行二分区间搜索，逐次逼近输入信号所在区间（区间宽度为1LSB），最终得到数字输出来等效模拟输入。对于一个单端输入的SAR ADC，采样到的模拟输入依次与VREF/2、VREF/2±VREF/4、VREF/2±VREF/4±VREF/8……进行比较。当输入信号大于参考电压，比较器输出“1”并且给参考电压加参考电压的一半；当输入信号小于参考电压，比较器输出“0”并且给参考电压减参考电压的一半。根据这种方式不断比较输出，直到结束。

四、SAR ADC优缺点

优点：低功耗、高数据处理速度、高分辨率、高精度、高灵敏度。

缺点：低采样速度、需要各个单元（如DAC和CMP）都达到与整个系统相当的精度。

五、SAR ADC工艺特性

SAR型ADC，由于采用了R-2R或C-2C型结构，使得高权值电阻的一点点误差，将造成末位好几位的误差。在SAR型ADC的2^n点附近，比如128、1024、2048、切换权值点阻，误差是最大的。1024值对应的电压甚至可能会比1023值对应电压要小。这就是很多SAR型器件DNL值会超过1的原因。但SAR型ADC的INL值都很小，因为权值电阻的误差不会累加。