技術(shù)文章：ADC的前端仿真

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

　　此時(shí)，用戶(hù)也許很想分析一下轉換器的技術(shù)規格，來(lái)驗證轉換器的運行是否符合數據表中的標準。尤其當用戶(hù)發(fā)現不夠快的時(shí)候，更需要確定轉換器是否已經(jīng)接收到內部正確的模擬信號。

　　用戶(hù)可以通過(guò)使用仿真工具來(lái)預測發(fā)生這些問(wèn)題的可能性，并解決這些問(wèn)題。ADC模擬輸入級仿真的確定依賴(lài)于電壓和電流的準確度。正是在這個(gè)方面，模擬SPICE宏模型能夠發(fā)揮作用。PCB數字信號完整性取決于定時(shí)、電壓-電流電平、以及寄生效應。而數字IBIS模型在這方面會(huì )比較有用。我們會(huì )在下個(gè)月來(lái)談一談IBIS，不過(guò)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(shí)的，并且不一定會(huì )起作用。如果用戶(hù)的模擬輸入引腳在轉換器正在捕捉電壓信息的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)上不穩定，這就不太可能獲得正確的輸出數據。SPICE模型使你能夠進(jìn)行的第一步操作就是驗證全部的模擬輸入，這樣的話(huà)，就不會(huì )有錯誤信號進(jìn)入到你的轉換器中了。

　　我們來(lái)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(hù)能夠仿真進(jìn)入轉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上合適的驅動(dòng)器運算放大器模型，在用戶(hù)進(jìn)行實(shí)際的PCB操作之前，確定是否能夠實(shí)現良好轉換。ADC宏模型的重要性在于，它能夠準確地描述轉換器輸入端子的特性。驅動(dòng)AINP、AINN和REF的運算放大器還必須準確地模擬它們的開(kāi)環(huán)輸出電阻 (Ro)。

　　我們來(lái)仔細看一看這款宏模型的工作方式。這款轉換器宏模型用55pF采樣電容器對正、負輸入進(jìn)行分別采樣。此器件轉換AINP和AINN上兩個(gè)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(shí)至少穩定在一個(gè)最低有效位 (LSB) 的一半。對于這款16位轉換器來(lái)說(shuō)，一個(gè)LSB的一半等于REF / 216。

　　電壓基準引腳，REF，需要在轉換過(guò)程期間，或者在CONVST引腳變?yōu)楦咧登?，出現穩定電壓(圖2)。在CONVST為低電平時(shí)，轉換器正在采集輸入信號(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。轉換器的整個(gè)轉換時(shí)間內，在位轉換周期結束時(shí)，電壓基準引腳必須穩定在LSB一半的水平上。

　　圖2在這個(gè)支持三線(xiàn)制運行的三線(xiàn)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上的輸入信號進(jìn)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(hù)測試輸入信號的準確性時(shí)，將ADS8860 TINA-TI電路設置為感測放大器驅動(dòng)器，AMP_OUT_sig的輸出，與其輸出信號，AINPsmpl之間的差異。在觀(guān)察這個(gè)差異時(shí)，檢查采樣時(shí)間結束時(shí)，或者在CONVST引腳剛剛變?yōu)楦唠娖街暗膮^域。核實(shí)這個(gè)信號是否少于LSB的一半。

　　圖4這個(gè)設置用于TINA-TI電路監視模擬與基準輸入。

　　一旦用戶(hù)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定性。在用戶(hù)測量REF引腳的準確度時(shí)，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(lái)移除電壓基準 (REF5040) 和運算放大器 (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之前的電壓電平。

　　結論

　　對于SAR-ADC的仿真比較復雜。目前來(lái)看，還沒(méi)有準確模擬整個(gè)器件的完整轉換器模型?，F有資源是一個(gè)仿真模擬輸入引腳穩定性的模擬SPICE文件。有了它，用戶(hù)就有了一款強大工具，使用戶(hù)能夠解決其中一個(gè)最關(guān)鍵、最棘手的轉換器問(wèn)題。

　　不過(guò)，這還遠遠不夠。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換器的數字輸入/輸出。