一、SAR ADC的基本原理

這里展示了一個逐次逼近寄存器型（SAR）轉換器的非常簡單的框圖。

開關、采樣電阻（RSH）和采樣電容（CSH）構成了采樣保持電路。當開關閉合時，采樣保持電路將充電至輸入信號電壓VN。當開關斷開時，電容器上的電壓將保持在前一步中采樣得到的電壓值。

在電壓保持期間，轉換器會將該電壓轉換為轉換結果。轉換過程分多個步驟完成，每一步都通過調整電容數字模擬轉換器（CDAC）的輸出來與保持的電壓進行比較。實際上，縮寫詞SAR代表“逐次逼近寄存器”（Successive Approximation Register）。

這個名稱指的是電容數字模擬轉換器（CDAC）通過逐次逼近進行調整，試圖匹配采樣保持電路中存儲的電壓的過程?！凹拇嫫鳌边@個詞指的是每個轉換步驟的結果都存儲在一個寄存器中的事實。讓我們通過一個類比來幫助理解逐次逼近寄存器型（SAR）轉換器的工作原理。

那么，逐次逼近寄存器型（SAR）模數轉換器（ADC）是如何工作的呢？可以把逐次逼近寄存器型（SAR）模數轉換器（ADC）想象成一個平衡的天平，輸入電壓就像是一個未知的重量。在天平的右側，我們有幾個經過校準的配重砝碼。這些砝碼是按二進制比例設置的。

由于我們有三個配重砝碼，這實際上就代表了一個三位的轉換器。進行測量的第一步是將未知重量放在天平的左側。這類似于逐次逼近寄存器型（SAR）模數轉換器（ADC）的采樣周期，也稱為采集周期。

接下來，我們開始從最重的砝碼起添加已校準的配重砝碼。這就好比在轉換過程中測試最高有效位（MSB）。在這個例子中你可以看到，未知重量比配重砝碼要重。所以這個最重的砝碼就留在天平上，最高有效位的值被設為二進制的“1”。

下一步，我們加上重量為一半的配重砝碼，這時會注意到，這些配重砝碼加起來超過了未知重量。

在最后一步，我們加上重量為四分之一的配重砝碼，然后發(fā)現天平平衡了。因此，重量為四分之一的砝碼就留在天平上。這樣，未知重量對應的二進制值就是“101”。

在這個類比中，采樣保持電路就相當于天平的左側。平衡點就相當于比較器。而經過校準的配重砝碼就相當于電容數字模擬轉換器（CDAC）的輸出。

現在讓我們回到實際電路，更深入地了解一些細節(jié)。之前我們提到過，開關和RC電路構成了模數轉換器（ADC）的采樣保持電路。開關閉合且模數轉換器（ADC）進行采樣的這段時間，被稱為模數轉換器（ADC）的采集周期。

這個周期的時長取決于轉換器的采樣率，并且會在數據手冊中給出。例如，對于采樣率為1Mbps的某款ADC，其采集周期為290ns。在采集周期內，施加到輸入端的電壓需要給內部電容（CSH）充電。

因為這是一個RC電路，電容會以指數速率充電，如左側的圖表所示。為了達到最佳精度，采樣保持電路的設計必須使其能夠在達到輸入電壓的最低有效位（LSB）的一半誤差范圍內完成充電。最低有效位的一半（1/2LSB）是模數轉換器（ADC）無法檢測到的最大誤差，因為它小于模數轉換器（ADC）的分辨率。

采集周期結束后，模數轉換器（ADC）開始轉換采樣信號。它通過調整電容數字模擬轉換器（CDAC）來嘗試匹配存儲在采樣保持電容（CSH）上的電壓。

每次調整電容數字模擬轉換器（CDAC）時，轉換結果中的一位就被計算出來。因此，一個12 位的轉換器將調整電容數字模擬轉換器（CDAC）12次。每次逐次逼近的結果都存儲在 N位寄存器中。

這張圖展示了一個5位轉換器的轉換周期。在這個例子中，存儲在采樣保持電容（CSH）上的模擬輸入電壓用綠色虛線表示。電容數字模擬轉換器（CDAC）的輸出用紅色線條表示，并且總是從最重的位權值，即最高有效位（MSB）開始。

這個位權值將等于滿量程范圍的二分之一。當我們逐步進行逐次轉換步驟時，只要數字模擬轉換器（DAC）的輸出不超過模擬輸入，我們就保留該輸出。而一旦數字模擬轉換器（DAC）的輸出超過模擬輸入，我們就將其關閉。

讓我們逐步看一下轉換過程。最高有效位（MSB）沒有超過模擬輸入。所以我們保留這一位，并將其二進制值設為“1”。下一次測試次高位（MSB減1），發(fā)現其超過了模擬輸入。

所以這一位被關閉，其對應的二進制值為“0”。再測試下一位（MSB減2），發(fā)現沒有超過模擬輸入。所以保留這一位，其二進制值為“1”。最后兩位都超過了模擬輸入，所以它們都被關閉，對應的二進制值都為“0”。因此，這個例子的總體轉換結果是“10100”

這張圖將左側的逐次逼近寄存器型（SAR）轉換方法與右側的∑-Δ型轉換方法進行了對比。逐次逼近寄存器型（SAR）采樣保持電路捕獲信號的時間點用紅點表示。

人們常把逐次逼近寄存器型（SAR）轉換稱為“快照式”轉換，因為采樣保持電路在保持期間會凍結電壓電平，這就如同相機快門按下時抓拍照片一樣。另一方面，∑-Δ型轉換器在固定的時間間隔內更像是對信號進行了平均處理?？纯从覀鹊膱D，你可以看到每個綠色的間隔表示∑-Δ型轉換器的轉換周期。

在轉換周期結束時，轉換結果被計算為該時間間隔內信號的平均值。在這張圖中，這個平均值用一個紅點表示。當然，說∑-Δ型轉換器只是在這個時間間隔內進行平均處理，這是一種過于簡化的說法。

二、SAR ADC的分類

1、按分辨率分類

低分辨率SAR ADC：通常分辨率在8位及以下。這類ADC結構簡單、成本低、功耗小，適用于對精度要求不高的場合，如一些簡單的工業(yè)控制、消費電子中的非關鍵測量等。

中分辨率SAR ADC：分辨率一般在10位到14位之間。能滿足許多中等精度要求的應用，如一般的音頻處理、數據采集系統(tǒng)等。

高分辨率SAR ADC：分辨率在16位及以上?？捎糜趯纫髽O高的領域，如高精度儀器儀表、航空航天、地震監(jiān)測等。

2、按轉換速度分類

低速SAR ADC：轉換速度通常在幾十KHz以下。適用于對速度要求不高，但要求低功耗、低成本的應用，如電池供電的便攜式設備、環(huán)境監(jiān)測傳感器等。

中速SAR ADC：轉換速度一般在幾十KHz到幾百KHz之間。能滿足大多數常規(guī)數據采集和處理的需求，如工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器中的一些數據采集模塊等。

高速SAR ADC：轉換速度可達到MHz級別。常用于需要快速采集數據的場合，如通信基站中的數字中頻采樣、雷達信號處理等。

3、按應用場景分類

通用型SAR ADC：具有較為平衡的性能指標，適用于多種不同類型的信號采集和處理場景，能滿足一般的工業(yè)、消費電子等領域的廣泛需求。

專用型SAR ADC：針對特定應用進行優(yōu)化。例如，用于音頻信號采集的SAR ADC，會在音頻帶寬內具有出色的線性度和低噪聲性能；用于汽車電子的SAR ADC，會具備高可靠性、寬工作溫度范圍等特性，以適應汽車惡劣的工作環(huán)境。

三、SAR ADC的優(yōu)點

高分辨率：能夠實現較高的分辨率，通?？蛇_到12位、16位甚至更高。高分辨率意味著可以更精確地將模擬信號轉換為數字信號，減少量化誤差，適用于對精度要求較高的應用場景。

中等轉換速度：轉換速度一般在幾kHz到幾MHz之間，能夠滿足許多實際應用的需求。對于一些不需要極高速轉換，但對精度有一定要求的場合，SAR ADC是一種較為合適的選擇。

低功耗：在轉換過程中，不需要像其他一些高速ADC那樣消耗大量的功率。其逐次逼近的轉換方式使得在每次轉換時只需對少數幾個比較器和寄存器進行操作，因此功耗相對較低，適合于電池供電等對功耗敏感的設備。

相對簡單的電路結構：與一些復雜的ADC結構相比，SAR ADC的電路結構相對簡單，易于設計和實現。這使得其成本較低，并且具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

SAR ADC的缺點

轉換速度受限：雖然具有中等轉換速度，但對于一些需要極高采樣率的應用，如高速通信、雷達等領域，其轉換速度可能不夠快。在這些場合，通常需要使用更高速的ADC技術，如流水線型ADC或閃存型ADC。

對模擬輸入信號的要求較高：為了保證轉換精度，SAR ADC對模擬輸入信號的穩(wěn)定性、噪聲水平等有較高要求。輸入信號的噪聲、干擾或快速變化可能會影響轉換結果的準確性，因此在實際應用中，往往需要對輸入信號進行適當的濾波和調理。

抗干擾能力相對較弱：在存在電磁干擾等惡劣環(huán)境中，SAR ADC的性能可能會受到一定影響。其逐次逼近的工作方式使得它對外部干擾較為敏感，可能導致轉換誤差增大或轉換結果不穩(wěn)定。

總結：SAR ADC以逐次逼近原理工作，通過采樣保持電路捕獲輸入信號，再以CDAC逐次逼近調整輸出與采樣電壓比較實現模數轉換。其分類多樣，按分辨率、轉換速度和應用場景可分為低/中/高分辨率、低/中/高速及通用/專用型。SAR ADC優(yōu)點顯著，包括高分辨率、中等轉換速度、低功耗和電路結構簡單，能滿足多種精度與功耗需求。然而，它也存在轉換速度受限、對模擬輸入信號要求高及抗干擾能力弱等缺點，在高速應用和惡劣環(huán)境中可能表現欠佳，需采取措施優(yōu)化信號處理并增強抗干擾能力。