通过将最高有效位 (MSB) 设置为 1,第一次推测被确定在了零点和满量程之间的中间位置。如果 Vin 大于 DAC 输出,该比特位则处于开启状态;如果小于 1,该比特位就被重新设置为 0。在每一个连续的时钟周期上,该二进制搜索树程序都会不断运行,以测试下一个较低的有效位。
图 1 中的 D/A 转换器由电阻梯形网络构建而成:
图 1 SAR 结构图
在整个转换过程中,Vin 的值必须要保持不变。因此,该电路就需要一个外部采样和保持 (S/H) 功能。大多数先进器件都是根据设计的性质采用一个电容数模转换器 (C-DAC)(如图 2 所示,其本身就具有 S/H 功能),而非采用电阻梯形网络 DAC。
图 2 三位 C-DAC 电路
C-DAC 的运行采用电荷再分配技术来设置用于二进制搜索的测试电压。该电容串由多个电容器组成(等于 C-DAC 的精度位数与一个虚拟电容器之和)。与 MSB 相关的电容器尺寸最大,每一个连续电容器均为前一个电容器尺寸的一半。因此,就形成了二进制序列。
电容器的平行和等于 2 N-1 C。添加虚拟的电容器(其与 LSB 电容值相等)将得到一个值为 2N C 的总电容。由于总电容是一个偶数二进制数字,因此不断重复的二进制除法会最终除尽,而不会有余数。
下面以C-DAC 型 SAR 转换器为例说明了该转换过程:
可能的比较器结果为:
在该序列的末端,COM 节点上的电压为负,且该节点上的电压振幅小于刚刚确定的比特位的值。
在下一个比特位 MSB-1 上将重复这一过程。该过程会在转换中的每一个比特位上进行,通常会使电压小于该比特位上的步长的大小。
C-DAC 所具有的一大优势在于:与电阻器相比,电容器在硅芯片体积方面要小得多,所以芯片的成本也较低。因此,对于用户而言,该电容器结构在提供内置 S/H 功能的同时,还降低了成本和复杂性。在第 10 部分中,我们将对 Δ-Σ 转换器拓扑结构进行研究分析。
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