传感器直接驱动 SAR ADC设计

1 简述

        此设计说明如何将传感器输出端与 SAR ADC 输入端直接连接。在 诸如 环境传感器、气体检测器 和烟雾或火灾探测器 等应用中，输入速度非常慢，而且传感器输出电压采样速度相当慢（10ksps 左右）。在此类或类似系统中，传感器输出端可与 SAR ADC 输入端直接连接，而不需要使用驱动器放大器，因此可实现小尺寸、低成本的设计。

2 传感器输出端直接连接到 SAR ADC

        下图显示了在不使用驱动器放大器的情况下将传感器直接连接到 SAR ADC 输入端的典型应用图。传感器框图突出显示了传感器输出端的戴维南等效电路。源电压 VTH 是戴维南等效电压，而源电阻 RTH 是戴维南等效阻抗。大多数传感器产品说明书都提供了传感器的戴维南模型，从中可以轻松计算出串联阻抗的值。

2.1 规格 

参数	计算值	仿真值	测得值
瞬态ADC输入趋稳误差	<0.5LSB <100.5uV	36.24uV	/
阶跃输入满量程	3.15V	3.15V	3.14978
输入源阻抗（Rth）	10kΩ	10kΩ	10.01kΩ
滤波电容值（Cflt）	680pF	680pF	/
ADC采样速度	10ksps	10ksps	10ksps

2.2 设计注意事项

• 确定输入信号的源阻抗。计算输入源阻抗和滤波电容（已知值）的 RC 时间常数
• 确定输入信号在给定源阻抗和滤波电容组合情况下趋稳所需的最小采集时间
• 选择 COG 电容器以最大限度减少失真
• 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高规格的薄膜电阻器以实现良好的增益漂移并最大限度减少失真

2.3 ADC 输入趋稳的组件选择

        当模拟输入源能够驱动 SAR ADC 的开关电容器负载并能够在 SAR ADC 的采集时间内将模拟输入信号稳定在 ½ LSB 以内时，可将 SAR ADC 与传感器直接连接。为实现这一点，外部 RC 滤波器（RTH 和 CFLT）必须在 ADC 的采集时间 (tACQ) 内稳定下来。ADC 采集时间与外部滤波器的 RC 时间常数之间的关系为：

其中，

•  
• k为N位ADC的稳定至1/2LSB所需时间常数个数

例如：

        

        

对于14位ADC，k取11

        

2.4 增加 SAR ADC 的采集时间以实现输入信号趋稳

        可通过以下方式降低吞吐量来增加 SAR ADC 的采集时间：

• 降低 SCLK 频率以降低吞吐量
• 使 SCLK 固定在最高允许值并增加 CS 高电平时间