5 开发SAR输入参考模型

大家好，欢迎观看TI 高精度实验室 系列，该系列将展示如何开发 SAR ADC 基准输入。 在前一部分中，我们介绍了该模型中的 所有不同组件。 在该部分中，我们将展示 如何配置该模型中的这些组件， 以验证 ADC 基准输入趋稳性能。 我们还将展示一个使用该模型验证 系统性能的示例。 提醒一下，在该演示中， 我们将在 ADCADS8881 的基准 输入模型上进行开发。 本幻灯片展示用于该基准输入模型的时序。 我们需要开发用于在适当的 时间闭合和断开开关的波形，以便 对该器件的基准输入行为进行建模。 控制信号上的逻辑高电平可以闭合开关。 逻辑低电平可以断开开关。 请注意，对于该设计，我们将对 8 MSB CDAC 位确定进行建模。 这是通过使用控制和位开关 将 CREF 连接到基准输出 8 次 来完成的。 控制开关用作允许 8 位开关直通的门。 换句话说，位开关将持续运行。 那么控制开关用于 选择位开关将CREF 连接到 电压基准的次数。 每次位开关闭合时，CREF 电容器就会由基准及其关联的滤波 电容器进行充电。 这会产生表示为IREF 的大电流脉冲。 在每个 CREF 充电周期之间，复位开关用于 对电容器进行复位。 请注意，每次位开关闭合后 IREF 具有相同的振幅，因为 CREF 始终会通过复位开关进行放电。 位开关时序由 ADC转换时序进行设置。 ADC 产品说明书中提供的转换周期 是 500 纳秒。 ADS8881 是一款18 位转换器。 因此转换时间被分配到 18 个不同的时钟， 或每个时钟 30 纳秒。 因此，位开关时序被设置为 30 纳秒。 控制开关允许 8 个大转换时钟脉冲通过，在 8 个转换 时钟周期或240 纳秒内 设置为高电平。 您可能想知道，对于该 18 位 转换器示例，我们为何仅使 8 个脉冲通过。 这是因为该模型生成的 电流脉冲始终等于MSB 脉冲的振幅。 在实际的器件中，这些脉冲将进行 二进制加权并且通常小于 MSB 脉冲。 因此，我们在该模型中仅使用 8 个脉冲的原因就是这 8 个脉冲的 平均电流可以提供实际器件中 消耗的平均电流的保守近似值。 现在我们已经大致了解了 该模型的工作原理，那么我们将查看 如何配置这些开关，以实现 该示例时序。 让我们来看看如何配置这些开关。 双击开关可以设置开关参数。 默认参数可能会影响性能。 因此，最好更改这些默认参数。 关闭电阻应该是 1 兆兆欧姆。 打开电阻应该是 1 微欧姆。 请注意，默认情况下，关闭电阻被设置为 1 千兆欧姆，打开电阻被设置为 0 欧姆。 打开电压和关闭电压设置 将导致开关闭合或断开的 电压电平。 我们将使用来自采集时间 源的方波信号断开和闭合开关。 在本例中，该开关将在输入为 0 伏时 断开，在输入为 1 伏时闭合。 现在，您可以配置信号源， 以控制开关位 switch。 首先双击信号源， 以配置信号。 然后，在信号下，按具有三个点的按钮。 这将打开信号编辑器。 接下来，选择分段线性函数类型。 通过该波形类型，我们可以 生成将控制该开关运行的方波。 在分段线性函数中，我们 可以创建任何波形形状或时序。 在本例中，我们仅创建一个方波， 该方波将在其为1 伏时打开开关， 并在其为 0伏时关闭开关。该图形 将始终以 RepeatForever 命令开始， 以 End Repeat 命令结束。 这将在这两条命令之间持续 重复该波形。 每个图形对应于1 个转换周期。 该示例显示了用于在采集 周期中控制开关的图形。 该开关将在开始13 纳秒内闭合， 并在此周期的剩余时间内保持断开。 请注意，该波形的上升和下降时间 限制为 1 纳秒。 该波形的左侧对应于 时间。 右侧对应于电压。 在该示例中，在 0秒时电压电平 为 0 伏。 在 1 纳秒时，电压变为 1 伏。TINA 会使用直线连接该列表中的 任意两点。 因此前两个点在 1 纳秒内 将输入从 0 伏转换为 1 伏。 第三个点在 1纳秒至 14 纳秒的 时间段内将电压保持在 1 伏。 第四个点在 1纳秒内将 电压从 1 伏转换为 0 伏。 最后一个点将周期扩展至 30 纳秒。 在这里，我们展示用于开关位、 开关位复位和控制开关的 时序。 顶部开关信号V_BIT 以转换 时钟频率打开和关闭， 该频率对应于半占空比，具有 30 纳秒的周期。 中间信号 V_RESET 在V_BIT 关闭之后立即 将 CREF 电压复位。 该开关在 23 纳秒时打开并在 26 纳秒时关闭，周期为 30 纳秒。 底部信号 control打开 240 纳秒 或 8 个转换时钟。 由于 ADC 具有 1兆个样本/秒的 采样率，因此该信号具有 1 微秒的周期。 请注意，所有波形都保持 1 纳秒的 上升和下降时间。 现在，SAR 驱动瞬态仿真需要使用 极小的时间增量，以避免掩盖重要的波形信息。 在 TINA 中使用默认设置可能会导致 误差，因为点数或时间分辨率 针对快速仿真时间进行了优化。 利用“Set AnalysisParameter”，您可以 优化 SPICE 数学引擎的工作方式。 将 TR 激励细分增加为 1,000 并将 TR 时间间隔细分增加为 10,000 可增加单位时间内的点数。 因此我们不会掩盖快速瞬变行为。 确保您首先进行该更改，然后再 运行 SAR 仿真。 请注意，您需要按底部的按钮 以展开该列表，这样您就可以编辑这些参数。 在运行 SPICE仿真之前， 您应该进行的另一项更改 是在“Options”菜单下将数值精度增加到 6 位。 这样我们就可以看到6 位的直流工作点。 正如我们将在下一张幻灯片中看到的，我们 需要它来设置误差测量电路。 在该幻灯片中，我们将配置基准 趋稳误差测量仪。 需要对该测量仪进行配置，使其在 基准驱动器电路的稳态输出使基准 输入端的电压稳定时 读数为 0。 换句话说，当基准电压 完全稳定时，误差读数应为 0 伏。 通过在测量仪的底部将电压源 VSS 设置为等于稳态基准 输出的直流电压，可以实现这一点。 务必使该电压的精度 达到微伏级，因为我们 将稳定至微伏级的误差。 这就是我们在上一张幻灯片中将仿真数值 精度增加至 6 位的原因。 然后，瞬态基准输出电压与 直流稳态电压源 VSS 进行比较。 当基准输入端的电压完全稳定时， VREF 误差仪读数为 0 伏。 现在我们已准备好使用瞬态分析来 查看 ADC 趋稳。 为此，在 TINA“SPICE”菜单中 选择“Analysis”，然后选择“Transient”。 接下来，选择允许您检查一些 转换的时间范围。 对于该示例，采样率为 1 兆赫兹。 因此我们运行瞬态 2 微秒， 即 2 个完整的周期。 该示例的瞬态结果包含 CREF 负载电容器上的电压、流入基准 输入的瞬态电流、基准输入电压、 基准趋稳误差、对 CREF 电压进行 复位的开关控制信号、转换时钟频率信号、 用于屏蔽在每个转换周期中 对基准采样次数的开关 控制信号。 在该类型的仿真中监测的 最重要的信号是表示为 VREF_error 的 误差信号。 该信号将基准输入引脚上的 电压与表示为 VSS 的稳态电压源进行比较。 VSS 上的直流电压被设置为等于基准 完全稳定时的正常直流输出。 目标是在 SAR基准输入的 电压等于稳态基准输出时 获得 0VREF_error 信号。 换句话说，当基准输入 完全稳定时，误差读数将为 0。 为了实现适当的基准输入趋稳， 我们将查看每个转换时钟周期内的 VREF_error。 还应注意，CREF负载电容器 会在每个转换时钟周期结束时复位。 除了查看每个转换时钟周期内的 基准趋稳之外，还应查看许多次 转换之后的基准输入压降，这一点 很重要。 这样做可以确保在许多次转换之后 基准驱动器电路具有足够的带宽或足够低的 输出阻抗。 在该示例中，我们查看100 次转换之后的基准 输入压降。 理想情况下，该压降将小于 1LSB 或 38 微伏。 您可以在该示例中看到， 该压降约为 25微伏，这小于 1LSB。 该幻灯片显示了一个 SAR 基准驱动器 电路示例，该电路能够在每次基准 输入电压会降低的转换之后恢复。 OPA320 可以稳定地驱动 22 微法拉 旁路电容器，并且能够以较低的 采样率驱动基准输入。 不过，放大器无法在 1 兆个 样本/秒的快速吞吐率下恢复。 我们会在许多次转换之后在仿真中 执行瞬态，以查看基准压降， 在本例中是 500 次转换。 在 500 次转换之后，VREF_error 显示基准 输入端具有超过 8 毫伏的 大压降。 该电路对于 1兆个样本/秒的 吞吐率而言并不是最佳的，但对于较慢的 数据速率很有效。 在构建 TINA 基准输入宏模型之后， 将其平均电流消耗与产品说明书 规格进行对比很有用。 在“Transient SimulationResults”窗口中 执行瞬态仿真之后，单击表示为 IREF 的 电流瞬态。 在“Transient Simulation Results”窗口的顶部菜单中，选择 “Process”，然后选择“Averages”。 仿真器将计算并显示基准 输入电流的平均值和 绝对平均值。 许多 SAR ADC 产品说明书都提供了 最大吞吐量下的平均基准输入电流规格。 使用仿真平均值与基准输入电流 进行比较。 仿真值应接近于或 超过基准输入电流。 在该示例中，使用了保守的 方法，其中基准输入可以在每次转换期间 看到最坏情况MSB 负载电容 8 次。 该仿真模型在1 兆个样本/秒的 最大吞吐量下消耗530 微安的电流，这与 300 微安的产品说明书规格具有 相同的数量级。 通过调节控制信号的持续时间， 用户可以增加或减少基准输入 看到 MSB 开关容性负载的 次数并调节电流消耗。 在大多数情况下，在 4 至 8 个 转换时钟内将控制信号调节为 高电平可得到很好的基准输入负载近似值。 接下来，我们查看不同类型的 SAR 基准输入模型，即 TI 器件特定模型。 TI 器件特定模型在出厂时 直接提供。 该模型基于器件的特定 拓扑进行构建，使用加权开关容性负载。 该行为可能更接近于实际的器件。 不过，宏模型更复杂，往往需要 更长的时间进行收敛和 执行仿真。 TI SAR 基准输入模型瞬态仿真结果与 前面的分立式充电模型相似。 该幻灯片显示了可通过网络获取的 ADS8881 TI 器件特定 SAR 模型的 瞬态结果。 该模型包含基准输入模型 以及 SAR ADC 输入采样保持电压。 该示例的瞬态结果包含转换 开始信号、流入基准 输入的瞬态电流、基准输入 电压以及基准趋稳误差。 它还包含SAR ADC 输入的 瞬态仿真，如 SAR ADC 输入端的电压和采样保持上的电压。 该表总结了基于产品说明书参数的 SAR 基准输入分立式充电 模型与制造商提供的 TI 器件 特定基准输入模型之间的差异。 分立式充电基准输入模型基于 产品说明书参数创建，使用保守的 方法来估算基准输入容性 负载。 在该简化模型中，基准输入可以在 每次转换期间多次看到最坏情况 MSB 负载开关。 该电路相对简单一些。 因此它提供快速且稳定可靠的收敛 和快速的组合结果。 它适用于任何新的或传统的 SAR ADC。 TI 器件特定模型使用 二进制加权或可变开关容性负载， 对特定的 ADC 器件模型进行建模。 这确实可以提供更精确的结果， 但有时需要以电路复杂性和更慢的 仿真为代价。 它在出厂时提供，可能无法 用于旧器件，因为仿真结果 可能更慢。 在许多情况下，它仅用于在执行采用分立式 充电模型的设计之后验证最终电路。 本视频到此结束。 在下一个视频中，我们重点讨论缓冲器电路 设计问题，如稳定性。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频