ADC的前端仿真設(shè)計(jì)方案

逐次逼近、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (SAR-ADC) 很簡單直接，用戶將模擬電壓接在輸入端上 (AINP, AINN, REF)，會(huì)看到一個(gè)輸出數(shù)字代碼，這個(gè)代碼表示相對于基準(zhǔn)的模擬輸入電壓。

此時(shí)，用戶也許很想分析一下轉(zhuǎn)換器的技術(shù)規(guī)格，來驗(yàn)證轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行是否符合數(shù)據(jù)表中的標(biāo)準(zhǔn)。尤其當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)不夠快的時(shí)候，更需要確定轉(zhuǎn)換器是否已經(jīng)接收到內(nèi)部正確的模擬信號(hào)。

用戶可以通過使用仿真工具來預(yù)測發(fā)生這些問題的可能性，并解決這些問題。ADC模擬輸入級仿真的確定依賴于電壓和電流的準(zhǔn)確度。正是在這個(gè)方面，模擬SPICE宏模型能夠發(fā)揮作用。PCB數(shù)字信號(hào)完整性取決于定時(shí)、電壓-電流電平、以及寄生效應(yīng)。而數(shù)字IBIS模型在這方面會(huì)比較有用。我們會(huì)在下個(gè)月來談一談IBIS，不過讓我們先解決ADC的仿真環(huán)境。

針對ADC的SPICE仿真

將信號(hào)傳送到ADC中的試錯(cuò)法是比較耗時(shí)的，并且不一定會(huì)起作用。如果用戶的模擬輸入引腳在轉(zhuǎn)換器正在捕捉電壓信息的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)上不穩(wěn)定，這就不太可能獲得正確的輸出數(shù)據(jù)。SPICE模型使你能夠進(jìn)行的第一步操作就是驗(yàn)證全部的模擬輸入，這樣的話，就不會(huì)有錯(cuò)誤信號(hào)進(jìn)入到你的轉(zhuǎn)換器中了。

我們來仔細(xì)看一看一款與ADS8860相似的典型串行、偽差分SAR-ADC器件(圖1)。

圖1 ADS8860是一款偽差分輸入，1MHz，16位SAR-ADC。

這款器件的TINA-TI SPICE模型使用戶能夠仿真進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)所產(chǎn)生的效果。借助于這款模型，以及AINP、AINM、REF上合適的驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算放大器模型，在用戶進(jìn)行實(shí)際的PCB操作之前，確定是否能夠?qū)崿F(xiàn)良好轉(zhuǎn)換。ADC宏模型的重要性在于，它能夠準(zhǔn)確地描述轉(zhuǎn)換器輸入端子的特性。驅(qū)動(dòng)AINP、AINN和REF的運(yùn)算放大器還必須準(zhǔn)確地模擬它們的開環(huán)輸出電阻 (Ro)。

我們來仔細(xì)看一看這款宏模型的工作方式。這款轉(zhuǎn)換器宏模型用55pF采樣電容器對正、負(fù)輸入進(jìn)行分別采樣。此器件轉(zhuǎn)換AINP和AINN上兩個(gè)已采樣值之間的電壓差。如仿真結(jié)果所示，此模型必須在采集周期結(jié)束時(shí)至少穩(wěn)定在一個(gè)最低有效位 (LSB) 的一半。對于這款16位轉(zhuǎn)換器來說，一個(gè)LSB的一半等于REF / 216。

電壓基準(zhǔn)引腳，REF，需要在轉(zhuǎn)換過程期間，或者在CONVST引腳變?yōu)楦咧登?，出現(xiàn)穩(wěn)定電壓(圖2)。在CONVST為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器正在采集輸入信號(hào)(采集模式)。SAR-ADC宏模型具有1MHz的時(shí)鐘，并且的確產(chǎn)生了CONVST信號(hào)。轉(zhuǎn)換器的整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，在位轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，電壓基準(zhǔn)引腳必須穩(wěn)定在LSB一半的水平上。

圖2在這個(gè)支持三線制運(yùn)行的三線制定時(shí)圖中，CONVST的作用是芯片選擇。

圖3中針對ADS8860的TINA-TI模型對AINP和AINN上的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并且給出模型的AINPsmpl和AINMsmpl上的采樣結(jié)果。

圖3上圖為SAR-ADC的TINA-TI宏模型。

在圖4中，AINP上的輸入等于3V，基準(zhǔn)電壓等于4.096V。在用戶測試輸入信號(hào)的準(zhǔn)確性時(shí)，將ADS8860 TINA-TI電路設(shè)置為感測放大器驅(qū)動(dòng)器，AMP_OUT_sig的輸出，與其輸出信號(hào)，AINPsmpl之間的差異。在觀察這個(gè)差異時(shí)，檢查采樣時(shí)間結(jié)束時(shí)，或者在CONVST引腳剛剛變?yōu)楦唠娖街暗膮^(qū)域。核實(shí)這個(gè)信號(hào)是否少于LSB的一半。

圖4這個(gè)設(shè)置用于TINA-TI電路監(jiān)視模擬與基準(zhǔn)輸入。

一旦用戶已經(jīng)檢查了針對準(zhǔn)確性的模擬輸入功能，之后就需要檢查電壓基準(zhǔn)引腳的穩(wěn)定性。在用戶測量REF引腳的準(zhǔn)確度時(shí)，測量電壓基準(zhǔn)輸出 (VF1) 和THS4281放大器輸出 (AMP_OUT_ref) 之間的電壓差。確保用VERR1的值來移除電壓基準(zhǔn) (REF5040) 和運(yùn)算放大器 (THS4281) 產(chǎn)生的偏移誤差。在進(jìn)行這些操作的同時(shí)，使用iref1電流表檢查電流峰值剛剛出現(xiàn)之前的電壓電平。

結(jié)論

對于SAR-ADC的仿真比較復(fù)雜。目前來看，還沒有準(zhǔn)確模擬整個(gè)器件的完整轉(zhuǎn)換器模型。現(xiàn)有資源是一個(gè)仿真模擬輸入引腳穩(wěn)定性的模擬SPICE文件。有了它，用戶就有了一款強(qiáng)大工具，使用戶能夠解決其中一個(gè)最關(guān)鍵、最棘手的轉(zhuǎn)換器問題。

不過，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。你僅僅仿真了ADC的模擬部件。我們將在下個(gè)月談一談如何仿真轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入/輸出。