SAR 转换器工作原理探究
时间:04-18 09:29 阅读:1091次
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简介:逐次逼近寄存器转换器(SAR 转换器)是一个二进制搜索树的硬件实现。从理论上来说,就是一个逻辑电路将对一个数值进行推测,然后将该值存储在锁存器并将其施加到一个数模转换器 (DAC)。比较器将测定该推测值(如 DAC 报告的那样)是高还是低,然后报告给逻辑电路以指导下一次推测。
通过将最高有效位(MSB)设置为1,第一次推测被确定在了零点和满量程之间的中间位置。如果Vin大于DAC输出,该比特位则处于开启状态;如果小于1,该比特位就被重新设置为0。在每一个连续的时钟周期上,该二进制搜索树程序都会不断运行,以测试下一个较低的有效位。
图1中的D/A转换器由电阻梯形网络构建而成:
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图1 SAR结构图
在整个转换过程中,Vin的值必须要保持不变。因此,该电路就需要一个外部采样和保持(S/H)功能。大多数先进器件都是根据设计的性质采用一个电容数模转换器(C-DAC)(如图2所示,其本身就具有S/H功能),而非采用电阻梯形网络DAC。
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图2三位C-DAC电路
C-DAC的运行采用电荷再分配技术来设置用于二进制搜索的测试电压。该电容串由多个电容器组成(等于C-DAC的精度位数与一个虚拟电容器之和)。与MSB相关的电容器尺寸最大,每一个连续电容器均为前一个电容器尺寸的一半。因此,就形成了二进制序列。
电容器的平行和等于2N-1C。添加虚拟的电容器(其与LSB电容值相等)将得到一个值为2NC的总电容。由于总电容是一个偶数二进制数字,因此不断重复的二进制除法会最终除尽,而不会有余数。
下面以C-DAC型SAR转换器为例说明了该转换过程:
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在该序列的末端,COM节点上的电压为负,且该节点上的电压振幅小于刚刚确定的比特位的值。
在下一个比特位MSB-1上将重复这一过程。该过程会在转换中的每一个比特位上进行,通常会使电压小于该比特位上的步长的大小。
C-DAC所具有的一大优势在于:与电阻器相比,电容器在硅芯片体积方面要小得多,所以芯片的成本也较低。因此,对于用户而言,该电容器结构在提供内置S/H功能的同时,还降低了成本和复杂性。在第10部分中,我们将对Δ-Σ转换器拓扑结构进行研究分析。