一、引言

逐次逼近型模數轉換器（Successive Approximation Register ADC，簡稱SAR ADC）是模擬-數字轉換器（ADC）的一種重要類型，廣泛應用于各種電子系統中。SAR ADC以其低功耗、高精度、小尺寸以及適中的速度和分辨率，在中等至高分辨率應用中占據主導地位。本文將詳細介紹SAR ADC的概念、工作過程、關鍵指標以及其在不同領域的應用。

二、SAR ADC的概念

SAR ADC，全稱為逐次逼近寄存器型模數轉換器，是一種通過逐次逼近算法實現模擬信號到數字信號轉換的器件。其工作原理類似于二進制搜索算法，通過不斷比較輸入模擬信號與一個可變參考電壓（由內部數字到模擬轉換器DAC產生），逐位確定輸出數字信號的每一位。

SAR ADC的基本結構包括采樣保持電路、比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、數字到模擬轉換器（DAC）以及控制電路。采樣保持電路用于在轉換過程中穩定輸入模擬信號，比較器用于比較輸入信號與DAC輸出，SAR寄存器用于存儲和更新每一位的比較結果，DAC則根據SAR寄存器的值產生可變參考電壓。

三、SAR ADC的工作過程

SAR ADC的工作過程可以分為采樣階段、清零階段（或初始化階段）、比較階段和輸出階段。以下是每個階段的詳細解釋：

采樣階段：

在采樣階段，采樣保持電路中的開關閉合，使得外部模擬信號能夠對ADC內部的采樣電容進行充電。這一過程通過一個電阻器完成，以捕獲輸入信號的瞬時值。采樣階段的目的是確保采樣電容能夠準確地存儲輸入信號的電壓值，為后續的轉換過程提供穩定的輸入。

清零階段（或初始化階段）：

在清零階段，SAR寄存器被清零或設置為初始狀態，同時DAC的輸出也被設置為一個初始值（通常是參考電壓的一半）。這一階段為后續的逐位比較做準備。

比較階段：

比較階段是SAR ADC工作的核心。在這一階段，SAR ADC采用逐次逼近的方法，從最高有效位（MSB）至最低有效位（LSB），逐步確定輸入信號的數字值。

首先，DAC的輸出被設置為參考電壓的一半，與采樣電容上的電壓進行比較。如果輸入信號大于DAC輸出，則比較器輸出高電平（通常表示為1），SAR寄存器將MSB設置為1；如果輸入信號小于DAC輸出，則比較器輸出低電平（通常表示為0），SAR寄存器將MSB設置為0。

接著，根據MSB的值，DAC的輸出被調整為參考電壓的1/4或3/4，再次與采樣電容上的電壓進行比較，確定下一位的值。

這一過程不斷重復，每次確定一位后，SAR寄存器都會更新DAC的控制信號，從而改變DAC的輸出電壓，使其更接近輸入信號的實際值。

當所有位都被確定后，比較階段結束。

輸出階段：

在輸出階段，SAR寄存器中的數字值被輸出作為ADC的轉換結果。這個值是輸入模擬信號的數字表示。

四、SAR ADC的關鍵指標

SAR ADC的性能可以通過多個關鍵指標來衡量，包括分辨率、轉換速度（或采樣率）、功耗、精度以及噪聲等。

分辨率：

分辨率是ADC能夠區分的最小模擬電壓變化量，通常以位數（bit）來表示。例如，一個16位的SAR ADC可以將模擬電壓范圍劃分為65536個等級。

轉換速度（或采樣率）：

轉換速度是ADC每秒能夠完成的轉換次數，通常以每秒百萬次采樣（MSPS）來表示。SAR ADC的轉換速度通常在每秒幾百萬次采樣到幾千萬次采樣之間。

功耗：

功耗是ADC在工作過程中消耗的電能。SAR ADC以其低功耗著稱，適用于便攜設備和電池供電的應用。

精度：

精度是ADC輸出數字值與輸入模擬信號真實值之間的誤差。SAR ADC的精度受到多種因素的影響，包括DAC的非線性、比較器的精度以及采樣保持電路的誤差等。

噪聲：

噪聲是ADC在轉換過程中引入的隨機誤差。SAR ADC的噪聲主要來源于量化噪聲、熱噪聲以及電路中的其他噪聲源。

五、SAR ADC的應用

SAR ADC廣泛應用于各種電子系統中，包括但不限于以下幾個方面：

便攜/電池供電儀表：

SAR ADC以其低功耗和高精度，非常適合于便攜設備和電池供電的儀表應用。例如，血糖儀、血壓計等醫療設備中常常使用SAR ADC來測量生物電信號。

筆輸入量化器：

在觸摸屏和手寫輸入設備中，SAR ADC用于將手寫筆在屏幕上的位置信息轉換為數字信號。這些數字信號隨后被處理以識別手寫字符或圖形。

工業控制和數據/信號采集：

SAR ADC在工業控制和數據/信號采集應用中發揮著重要作用。它們用于測量溫度、壓力、流量等工業參數，并將這些模擬信號轉換為數字信號以供計算機處理和分析。

通信系統：

在通信系統中，SAR ADC用于將模擬信號（如語音、圖像等）轉換為數字信號以便進行傳輸和處理。隨著5G等新一代通信技術的不斷發展，對ADC的性能要求也在不斷提高。

六、結論

SAR ADC以其低功耗、高精度、小尺寸以及適中的速度和分辨率，在中等至高分辨率應用中占據主導地位。本文詳細介紹了SAR ADC的概念、工作過程、關鍵指標以及在不同領域的應用。通過深入了解SAR ADC的工作原理和性能特點，我們可以更好地選擇和使用這種重要的電子器件，以滿足各種應用場景的需求。隨著電子技術的不斷進步和創新，SAR ADC的性能也將不斷提升，為電子系統的設計和優化提供更多可能性。