仿真ADC的前端

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)，會看到一個輸出數(shù)字代碼，這個代碼表示相對于基準的模擬輸入電壓。

此時，用戶也許很想分析一下轉(zhuǎn)換器的技術規(guī)格，來驗證轉(zhuǎn)換器的運行是否符合數(shù)據(jù)表中的標準。尤其當用戶發(fā)現(xiàn)不夠快的時候，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。

用戶可以通過使用仿真工具來預測發(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確度。正是在這個方面，模擬SPICE宏模型能夠發(fā)揮作用。PCB數(shù)字信號完整性取決于定時、電壓-電流電平、以及寄生效應。而數(shù)字IBIS模型在這方面會比較有用。我們會在下個月來談一談IBIS，不過讓我們先解決ADC的仿真環(huán)境。

針對ADC的SPICE仿真

將信號傳送到ADC中的試錯法是比較耗時的，并且不一定會起作用。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鍵時間點上不穩(wěn)定，這就不太可能獲得正確的輸出數(shù)據(jù)。SPICE模型使你能夠進行的第一步操作就是驗證全部的模擬輸入，這樣的話，就不會有錯誤信號進入到你的轉(zhuǎn)換器中了。

我們來仔細看一看一款與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入轉(zhuǎn)換器的模擬信號所產(chǎn)生的效果。借助于這款模型，以及AINP、AINM、REF上合適的驅(qū)動器運算放大器模型，在用戶進行實際的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，它能夠準確地描述轉(zhuǎn)換器輸入端子的特性。驅(qū)動AINP、AINN和REF的運算放大器還必須準確地模擬它們的開環(huán)輸出電阻 (Ro)。

我們來仔細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、負輸入進行分別采樣。此器件轉(zhuǎn)換AINP和AINN上兩個已采樣值之間的電壓差。如仿真結果所示，此模型必須在采集周期結束時至少穩(wěn)定在一個最低有效位 (LSB) 的一半。對于這款16位轉(zhuǎn)換器來說，一個LSB的一半等于REF / 216。

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

圖2在這個支持三線制運行的三線制定時圖中，CONVST的作用是芯片選擇。

圖3中針對ADS8860的TINA-TI模型對AINP和AINN上的輸入信號進行采樣，并且給出模型的AINPsmpl和AINMsmpl上的采樣結果。

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，基準電壓等于4.096V。在用戶測試輸入信號的準確性時，將ADS8860 TINA-TI電路設置為感測放大器驅(qū)動器，AMP_OUT_sig的輸出，與其輸出信號，AINPsmpl之間的差異。在觀察這個差異時，檢查采樣時間結束時，或者在CONVST引腳剛剛變?yōu)楦唠娖街暗膮^(qū)域。核實這個信號是否少于LSB的一半。

圖4這個設置用于TINA-TI電路監(jiān)視模擬與基準輸入。

一旦用戶已經(jīng)檢查了針對準確性的模擬輸入功能，之后就需要檢查電壓基準引腳的穩(wěn)定性。在用戶測量REF引腳的準確度時，測量電壓基準輸出 (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 (REF5040) 和運算放大器 (THS4281) 產(chǎn)生的偏移誤差。在進行這些操作的同時，使用iref1電流表檢查電流峰值剛剛出現(xiàn)之前的電壓電平。

結論

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

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