設計說明

此設計說明如何將傳感器輸出端與 SAR ADC 輸入端直接連接。在無線環境傳感器、氣體探測器、煙霧和熱量探測器等應用中，輸入變化非常緩慢，傳感器輸出電壓的采樣速率也相對較慢（10ksps 左右）。在此類或類似系統中，傳感器輸出端可與 SAR ADC 輸入端直接連接，而不需要使用驅動器放大器，因此可實現小尺寸、低成本的設計。

將傳感器輸出端直接連接到 SAR ADC

下圖顯示了在不使用驅動器放大器的情況下將傳感器直接連接到 SAR ADC 輸入端的典型應用圖。傳感器框圖突出顯示了傳感器輸出端的戴維南等效電路。源電壓 V_TH 是戴維南等效電壓，而源電阻 R_TH 是戴維南等效阻抗。大多數傳感器數據表都提供了傳感器的戴維南模型，從中可以輕松計算出串聯阻抗的值。

規格

設計注意事項

1. 確定輸入信號的源阻抗。計算輸入源阻抗和濾波電容（已知值）的 RC 時間常數。
2. 確定輸入信號在給定源阻抗和濾波電容組合情況下趨穩所需的最小采集時間。
3. 選擇 COG 電容器以更大限度減少失真。
4. 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高規格的薄膜電阻器以實現良好的增益漂移并更大限度地減少失真。

ADC 輸入穩定的元件選擇

當模擬輸入源能夠驅動 SAR ADC 的開關電容器負載并能夠在 SAR ADC 的采集時間內將模擬輸入信號穩定在 ? LSB 以內時，可將 SAR ADC 與傳感器直接連接。為實現這一點，外部 RC 濾波器（R_TH 和 C_FLT）必須在 ADC 的采集時間 (t_ACQ) 內穩定下來。ADC 采集時間與外部濾波器的 RC 時間常數之間的關系為：

其中

• ?_FLT = R_TH × C_FLT
• k 為 N 位 ADC 的單極時間常數

以下設計示例值是第 1 頁的表中給出的值：

K = 11（用于 14 位 ADC 的單極時間常數乘數）– 有關詳細信息，請參閱模擬工程師口袋參考書 的第 96 頁和第 97 頁。

使用以下公式計算正確趨穩所需的最小采集時間：

有關 SAR ADC 和 SAR ADC 前端設計的更多信息，請參閱 SAR ADC 前端組件選擇簡介 視頻。

使用 TI-TINA 進行瞬態輸入穩定仿真

下圖顯示了 ADS7056 ADC 在給定 3.15V 直流輸入信號時的穩定情況。該類型的仿真表明已正確選擇采樣保持反沖電路。請參閱 優化 Rfilt 和 Cfilt 值（TI 高精度實驗室 - ADC 培訓視頻系列）了解有關此主題的詳細理論。

增加 SAR ADC 的采集時間以實現輸入信號穩定

可通過以下方式降低吞吐量來增加 SAR ADC 的采集時間：

1. 降低 SCLK 頻率以降低吞吐量。
2. 使 SCLK 固定在最高允許值并增加 CS 高電平時間。

下表列出了 ADS7056 SAR ADC 在吞吐量為 10ksps (tcycle = 100μs) 條件下運行時的前兩種情況的采集時間。第 2 種情況為輸入信號趨穩提供了更長的采集時間，因為在固定的轉換和周期時間條件下 SCLK 的頻率提高了。

下表顯示的是，當輸出阻抗為 10kΩ 的傳感器輸出端與 ADC 輸入端直接連接時，8 位、10 位、12 位和 14 位 ADC 相對于采樣速度和有效位數 (ENOB) 的性能比較。正如預期的那樣，隨著采樣速率升高，由于采集時間減少，ENOB 會降低。

采用不同源阻抗在不同吞吐率條件下實現的性能

下圖提供了 ADS7056 采用不同輸入阻抗在不同吞吐量條件下實現的 ENOB。請注意，下圖所有結果的得出條件是采用 100Hz 模擬輸入信號并且沒有 ADC 驅動器放大器。

設計中采用的器件

主要文件鏈接

德州儀器 (TI)，SBAA256 的源文件，SBAC178 支持文件