SAR_ADC的电路原理

SAR_ADC的电路原理

1  SAR ADC

        SAR(Successive Approximation ADC)是一种常用的ADC，SAR ADC的转换速度通常比闪存（Flash）ADC慢，但比积分型ADC快，由于其工作原理，SAR ADC的功耗通常介于闪存ADC和积分型ADC之间。SAR ADC通过逐个位地确定模拟信号的数字表示，从最高有效位（MSB）开始，然后向下进行。转换过程开始时，SAR ADC假设信号的最大可能值，然后通过比较器与实际信号进行比较，逐步调整其估计值,每次逼近步骤的结果都被存储在寄存器中，这些寄存器通常被称为SAR寄存器。SAR ADC可以设计成具有不同的分辨率，常见的有8位、10位、12位等，电路结构如下图所示，主要由采样保持电路，DAC，逻辑控制电路，逐次逼近寄存器组成。

                                                          图：SAR ADC原理图

2  工作过程

以输入信号5.2v为例

                                                       图：SAR ADC输入5.2v

Step1:

寄存器输出1000，VDC=0.625*8=5v，5.2v > 5v 比较器输出为1，数据寄存器D3=1

Step2:

寄存器输出1100，VDC=0.625*12=7.5v，5.2v<7.5v 比较器输出为0，数据寄存器D2=0

Step3:

寄存器输出1010，VDC=0.625*10=6.25v，5.2v<6.25v 比较器输出为0，数据寄存器D1=0

Step4:

寄存器输出1001，VDC=0.625*9=5.625v，5.2v<5.625v 比较器输出为0，数据寄存器D0=0

3  电路仿真

                                                        图：SAR ADC仿真原理图

 当输入电压为1.7v时的工作过程：

工作过程：
STEP1:
DAC输出1000，VREF为2.5v，1.7v < 2.5v，U1输出为低，这时候CLK1的
上升沿到来，Q1输出为低，D3=0
 
STEP2:
DAC输出0100，VREF为1.25v，1.7>1.25v，U1输出为高，这时候CLK2的
上升沿到来，Q2输出为高，D2=1
 
STEP3:
DAC输出0110，VREF为1.875v，1.7<1.875v，U1输出为低，这时候CLK3的
上升沿到来，Q3输出为低，D1=0
 
STEP4:
DAC输出0101，VREF为1.5625v，1.7>1.5625v，U1输出为高，这时候CLK4的
上升沿到来，Q4输出为低，D0=1

4  仿真输出波形

                                                      图：SAR ADC 的输出波形 

5  SAR ADC的电容式DAC原理

       下图为一个16bit的电容式DAC，首先MSB先接到VREF上，此时公共端的电压就是-Vin + 1/2 *VREF，高于地输出1，低于地输出0，依次类推。

VCOMMON = -VIN + BN-1 × VREF/2 + BN-2 × VREF/4 + BN-1 × VREF/8 + ... + B0 × VREF/2N-1 (B_为比较器输出/ADC输出位)。

                                                          图：电容式DAC原理

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