一文讲透SAR ADC基础知识

一、SAR ADC的基本原理

这里展示了一个逐次逼近寄存器型（SAR）转换器的非常简单的框图。

开关、采样电阻（RSH）和采样电容（CSH）构成了采样保持电路。当开关闭合时，采样保持电路将充电至输入信号电压VN。当开关断开时，电容器上的电压将保持在前一步中采样得到的电压值。

在电压保持期间，转换器会将该电压转换为转换结果。转换过程分多个步骤完成，每一步都通过调整电容数字模拟转换器（CDAC）的输出来与保持的电压进行比较。实际上，缩写词SAR代表“逐次逼近寄存器”（Successive Approximation Register）。

这个名称指的是电容数字模拟转换器（CDAC）通过逐次逼近进行调整，试图匹配采样保持电路中存储的电压的过程。“寄存器”这个词指的是每个转换步骤的结果都存储在一个寄存器中的事实。让我们通过一个类比来帮助理解逐次逼近寄存器型（SAR）转换器的工作原理。

那么，逐次逼近寄存器型（SAR）模数转换器（ADC）是如何工作的呢？可以把逐次逼近寄存器型（SAR）模数转换器（ADC）想象成一个平衡的天平，输入电压就像是一个未知的重量。在天平的右侧，我们有几个经过校准的配重砝码。这些砝码是按二进制比例设置的。

由于我们有三个配重砝码，这实际上就代表了一个三位的转换器。进行测量的第一步是将未知重量放在天平的左侧。这类似于逐次逼近寄存器型（SAR）模数转换器（ADC）的采样周期，也称为采集周期。

接下来，我们开始从最重的砝码起添加已校准的配重砝码。这就好比在转换过程中测试最高有效位（MSB）。在这个例子中你可以看到，未知重量比配重砝码要重。所以这个最重的砝码就留在天平上，最高有效位的值被设为二进制的“1”。

下一步，我们加上重量为一半的配重砝码，这时会注意到，这些配重砝码加起来超过了未知重量。

在最后一步，我们加上重量为四分之一的配重砝码，然后发现天平平衡了。因此，重量为四分之一的砝码就留在天平上。这样，未知重量对应的二进制值就是“101”。

在这个类比中，采样保持电路就相当于天平的左侧。平衡点就相当于比较器。而经过校准的配重砝码就相当于电容数字模拟转换器（CDAC）的输出。

现在让我们回到实际电路，更深入地了解一些细节。之前我们提到过，开关和RC电路构成了模数转换器（ADC）的采样保持电路。开关闭合且模数转换器（ADC）进行采样的这段时间，被称为模数转换器（ADC）的采集周期。

这个周期的时长取决于转换器的采样率，并且会在数据手册中给出。例如，对于采样率为1Mbps的某款ADC，其采集周期为290ns。在采集周期内，施加到输入端的电压需要给内部电容（CSH）充电。

因为这是一个RC电路，电容会以指数速率充电，如左侧的图表所示。为了达到最佳精度，采样保持电路的设计必须使其能够在达到输入电压的最低有效位（LSB）的一半误差范围内完成充电。最低有效位的一半（1/2LSB）是模数转换器（ADC）无法检测到的最大误差，因为它小于模数转换器（ADC）的分辨率。

采集周期结束后，模数转换器（ADC）开始转换采样信号。它通过调整电容数字模拟转换器（CDAC）来尝试匹配存储在采样保持电容（CSH）上的电压。

每次调整电容数字模拟转换器（CDAC）时，转换结果中的一位就被计算出来。因此，一个12 位的转换器将调整电容数字模拟转换器（CDAC）12次。每次逐次逼近的结果都存储在 N位寄存器中。

这张图展示了一个5位转换器的转换周期。在这个例子中，存储在采样保持电容（CSH）上的模拟输入电压用绿色虚线表示。电容数字模拟转换器（CDAC）的输出用红色线条表示，并且总是从最重的位权值，即最高有效位（MSB）开始。

这个位权值将等于满量程范围的二分之一。当我们逐步进行逐次转换步骤时，只要数字模拟转换器（DAC）的输出不超过模拟输入，我们就保留该输出。而一旦数字模拟转换器（DAC）的输出超过模拟输入，我们就将其关闭。

让我们逐步看一下转换过程。最高有效位（MSB）没有超过模拟输入。所以我们保留这一位，并将其二进制值设为“1”。下一次测试次高位（MSB减1），发现其超过了模拟输入。

所以这一位被关闭，其对应的二进制值为“0”。再测试下一位（MSB减2），发现没有超过模拟输入。所以保留这一位，其二进制值为“1”。最后两位都超过了模拟输入，所以它们都被关闭，对应的二进制值都为“0”。因此，这个例子的总体转换结果是“10100”

这张图将左侧的逐次逼近寄存器型（SAR）转换方法与右侧的∑-Δ型转换方法进行了对比。逐次逼近寄存器型（SAR）采样保持电路捕获信号的时间点用红点表示。

人们常把逐次逼近寄存器型（SAR）转换称为“快照式”转换，因为采样保持电路在保持期间会冻结电压电平，这就如同相机快门按下时抓拍照片一样。另一方面，∑-Δ型转换器在固定的时间间隔内更像是对信号进行了平均处理。看看右侧的图，你可以看到每个绿色的间隔表示∑-Δ型转换器的转换周期。

在转换周期结束时，转换结果被计算为该时间间隔内信号的平均值。在这张图中，这个平均值用一个红点表示。当然，说∑-Δ型转换器只是在这个时间间隔内进行平均处理，这是一种过于简化的说法。

二、SAR ADC的分类

1、按分辨率分类

低分辨率SAR ADC：通常分辨率在8位及以下。这类ADC结构简单、成本低、功耗小，适用于对精度要求不高的场合，如一些简单的工业控制、消费电子中的非关键测量等。

中分辨率SAR ADC：分辨率一般在10位到14位之间。能满足许多中等精度要求的应用，如一般的音频处理、数据采集系统等。

高分辨率SAR ADC：分辨率在16位及以上。可用于对精度要求极高的领域，如高精度仪器仪表、航空航天、地震监测等。

2、按转换速度分类

低速SAR ADC：转换速度通常在几十KHz以下。适用于对速度要求不高，但要求低功耗、低成本的应用，如电池供电的便携式设备、环境监测传感器等。

中速SAR ADC：转换速度一般在几十KHz到几百KHz之间。能满足大多数常规数据采集和处理的需求，如工业自动化控制系统、医疗仪器中的一些数据采集模块等。

高速SAR ADC：转换速度可达到MHz级别。常用于需要快速采集数据的场合，如通信基站中的数字中频采样、雷达信号处理等。

3、按应用场景分类

通用型SAR ADC：具有较为平衡的性能指标，适用于多种不同类型的信号采集和处理场景，能满足一般的工业、消费电子等领域的广泛需求。

专用型SAR ADC：针对特定应用进行优化。例如，用于音频信号采集的SAR ADC，会在音频带宽内具有出色的线性度和低噪声性能；用于汽车电子的SAR ADC，会具备高可靠性、宽工作温度范围等特性，以适应汽车恶劣的工作环境。

三、SAR ADC的优点

高分辨率：能够实现较高的分辨率，通常可达到12位、16位甚至更高。高分辨率意味着可以更精确地将模拟信号转换为数字信号，减少量化误差，适用于对精度要求较高的应用场景。

中等转换速度：转换速度一般在几kHz到几MHz之间，能够满足许多实际应用的需求。对于一些不需要极高速转换，但对精度有一定要求的场合，SAR ADC是一种较为合适的选择。

低功耗：在转换过程中，不需要像其他一些高速ADC那样消耗大量的功率。其逐次逼近的转换方式使得在每次转换时只需对少数几个比较器和寄存器进行操作，因此功耗相对较低，适合于电池供电等对功耗敏感的设备。

相对简单的电路结构：与一些复杂的ADC结构相比，SAR ADC的电路结构相对简单，易于设计和实现。这使得其成本较低，并且具有较好的稳定性和可靠性。

SAR ADC的缺点

转换速度受限：虽然具有中等转换速度，但对于一些需要极高采样率的应用，如高速通信、雷达等领域，其转换速度可能不够快。在这些场合，通常需要使用更高速的ADC技术，如流水线型ADC或闪存型ADC。

对模拟输入信号的要求较高：为了保证转换精度，SAR ADC对模拟输入信号的稳定性、噪声水平等有较高要求。输入信号的噪声、干扰或快速变化可能会影响转换结果的准确性，因此在实际应用中，往往需要对输入信号进行适当的滤波和调理。

抗干扰能力相对较弱：在存在电磁干扰等恶劣环境中，SAR ADC的性能可能会受到一定影响。其逐次逼近的工作方式使得它对外部干扰较为敏感，可能导致转换误差增大或转换结果不稳定。

总结：SAR ADC以逐次逼近原理工作，通过采样保持电路捕获输入信号，再以CDAC逐次逼近调整输出与采样电压比较实现模数转换。其分类多样，按分辨率、转换速度和应用场景可分为低/中/高分辨率、低/中/高速及通用/专用型。SAR ADC优点显著，包括高分辨率、中等转换速度、低功耗和电路结构简单，能满足多种精度与功耗需求。然而，它也存在转换速度受限、对模拟输入信号要求高及抗干扰能力弱等缺点，在高速应用和恶劣环境中可能表现欠佳，需采取措施优化信号处理并增强抗干扰能力。