為您的應(yīng)用選擇合適的ADC

目前有許多不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可供選擇，包括分立式ADC和集成到數(shù)字IC中的ADC，如微控制器、處理器和FPGA。哪種ADC最適合您的應(yīng)用？您是否需要最高精度、簡(jiǎn)單的內(nèi)務(wù)檢查或介于兩者之間？什么采樣率就足夠了。此應(yīng)用程序會(huì)記錄所有這些內(nèi)容。它還重點(diǎn)介紹了最新的先進(jìn)SAR、三角積分、流水線和集成ADC。

您正在測(cè)量的信號(hào)的速度、功率和準(zhǔn)確性有多重要？你有什么選擇？有這么多不同的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），您如何選擇一種？

有獨(dú)立（或分立）ADC，典型范圍為8位至24位，甚至有些具有32位選項(xiàng)。ADC 內(nèi)核還集成到微控制器、FPGA、處理器或完整的片上系統(tǒng) （SoC） 中。有逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 和 Σ-Δ 版本。當(dāng)需要最高采樣速率速度時(shí)，使用流水線ADC。一些ADC的采樣頻率低至每秒約10個(gè)樣本，有些則遠(yuǎn)高于1Gsps.ADC的價(jià)格從<1美元到265美元或更高不等。流水線ADC的1，000件清單中的一些在很大程度上遠(yuǎn)低于公布的“1k”價(jià)格。

為了幫助您為您的應(yīng)用選擇正確或最佳的ADC，我們將仔細(xì)研究這些不同類型的ADC，并解釋它們的最佳工作條件。

SAR ADC – 用于中端速度和快照數(shù)據(jù)

SAR ADC提供廣泛的位和采樣速率或速度。SAR ADC 的工作范圍從 6 位或 8 位到高達(dá) 20 位，工作頻率通常在每秒幾千采樣 （ksps） 到每秒 10 兆采樣 （Msps） 之間。SAR ADC 是電機(jī)控制、振動(dòng)分析和系統(tǒng)監(jiān)控等中檔應(yīng)用的理想選擇。它們不如流水線ADC快，但通常比Δ-Σ型ADC更快（下面還將討論兩者的用途）。

客戶什么時(shí)候會(huì)想要這個(gè)？當(dāng) 需要 同時(shí) 測(cè)量 多個(gè) 信號(hào) 時(shí)， 可以 同時(shí) 使用 多個(gè) 單 SAR ADC 進(jìn)行 采樣， 或者 使用 具有 多個(gè) ADC 或 多個(gè) 采樣 （T/H） 內(nèi)核 的 同時(shí) 采樣 ADC。這允許系統(tǒng)在同一時(shí)刻測(cè)量多個(gè)模擬輸入。

SAR ADC隨采樣速率線性調(diào)節(jié)功耗。例如，在5Msps時(shí)功耗為1mW的SAR ADC在5ksps時(shí)通常僅消耗1μW。因此，SAR ADC非常靈活，客戶可以為多種應(yīng)用儲(chǔ)備一個(gè)零件號(hào)。

SAR ADC還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它們拍攝模擬輸入信號(hào)的“快照”。SAR 架構(gòu)僅在一個(gè)時(shí)刻采樣（即“抓取”）。（稍后，我們將解釋此快照與對(duì)模擬輸入進(jìn)行多次采樣的Δ-Σ型ADC有何不同。

電流和電壓互感器使用 SAR ADC 進(jìn)行繼電保護(hù)應(yīng)用。在這里，客戶在同一時(shí)刻測(cè)量不同的電流和電壓相位。電力公司就是一個(gè)很好的例子。通過(guò)精確的快照數(shù)據(jù)，公用事業(yè)公司可以確切地知道電線下有什么，以及如何最有效地管理電網(wǎng)。

Σ-Δ型ADC——通過(guò)更多位實(shí)現(xiàn)更高的精度

當(dāng)您希望從更多采樣位獲得精度或確實(shí)需要最高有效位數(shù)（ENOB）時(shí)，Σ-Δ型ADC通常是最佳選擇，特別是對(duì)于低噪聲精密應(yīng)用。當(dāng)速度不那么重要時(shí)，Σ-Δ ADC的過(guò)采樣和噪聲整形可提供非常高的精度。

哪些應(yīng)用可能需要> 20 位無(wú)噪聲分辨率？?jī)x表單元和氣相色譜儀或石油和天然氣行業(yè)是示例應(yīng)用，通常希望（甚至要求）從盡可能多的位獲得精度。這些系統(tǒng)應(yīng)用為精密模擬信號(hào)設(shè)定了基準(zhǔn)，在這些應(yīng)用中，最終用戶必須絕對(duì)確定他們的數(shù)據(jù)——確切地說(shuō)有多少低硫原油或天然氣在流動(dòng)。

隨著SAR ADC市場(chǎng)在5到10年前開始飽和，Maxim Integrated、ADI公司、德州儀器和凌力爾特等公司都投資了多個(gè)Σ-Δ內(nèi)核。目前的結(jié)果是非常好的ADC，最高可達(dá)24位或32位，采樣速率在10sps到幾Msps之間。

調(diào)制器與否？

Σ-Δ型ADC在速度和采樣速率方面變得越來(lái)越難以分類。

傳統(tǒng)的Σ-Δ在內(nèi)部完成所有數(shù)字后處理（例如，使用SINC/陷波濾波器、抽取和噪聲整形）。從那里，數(shù)據(jù)以非常好的 ENOB 串行發(fā)送出去。例如，如果您有一個(gè) 24 位 ADC，則數(shù)據(jù)輸出包括 24 位。第一個(gè)位輸出是最有效位（MSB）和24千位是最低有效位 （LSB）。數(shù)據(jù)輸出速率通常是串行時(shí)鐘速率除以 24。這些不是最快的，也不是最靈活的ADC。

然而，在過(guò)去的5到10年中，Σ-Δ調(diào)制器變得越來(lái)越流行，特別是在需要良好速度（通常約為1Msps或更高）的應(yīng)用中。Σ-Δ調(diào)制器不會(huì)等到全24位輸出被抽取，而是一次流出一位數(shù)據(jù)，并將數(shù)字濾波留給處理器或FPGA進(jìn)行分析。

這種調(diào)制器靈活性對(duì)于電機(jī)控制等應(yīng)用很有幫助，在這些應(yīng)用中，12至16位是不夠的。在這里，如果8位數(shù)據(jù)流中的最后24個(gè)LSB提供足夠的模擬測(cè)量，則電機(jī)控制器可能不需要或想要等待最后16個(gè)LSB。

近年來(lái)，Σ-Δ調(diào)制器已達(dá)到16位和20Msps。

選擇 SAR 與 Sigma Delta——決定因素是速度

輸入濾波器是為您的應(yīng)用選擇合適的ADC時(shí)的另一個(gè)重要考慮因素?；叵胍幌?，SAR 架構(gòu)采用高速快照。當(dāng)應(yīng)用推送到更高的采樣速率（100ksps及以上）時(shí)，輸入濾波器變得更加復(fù)雜。通常，需要一個(gè)外部緩沖器或放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)輸入電容并在短時(shí)間內(nèi)建立。這意味著放大器必須有足夠的帶寬。圖1所示為采用16位、500ksps MAX11166 SAR ADC的示例。位越高，采樣速率越快，輸入必須建立正確的輸入讀數(shù)的時(shí)間常數(shù)就越短。

圖1采用增益帶寬為9632MHz的MAX55放大器，后接一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器。該放大器提供< 1nV/根 Hz 噪聲，因此可以從系統(tǒng)獲得十分之一 dB 的 ENOB。

圖1.SAR ADC （MAX11166/MAX11167）輸入濾波器示例顯示MAX9632放大器，增益帶寬為55MHz，驅(qū)動(dòng)ADC輸入。

與SAR ADC相比，Δ-Σ型ADC中的輸入被過(guò)采樣很多次，因此抗混疊濾波器要求通常不那么嚴(yán)格。通常，一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器就足夠了。圖2是MAX11270 24位、64kspsΣ-Δ型ADC的示例。這里以惠斯通電橋?yàn)槔?，差分輸入之間有一個(gè)10nF電容。

圖2.Σ-Δ型ADC （MAX11270）輸入濾波器示例需要一個(gè)簡(jiǎn)單的外部RC濾波器。

流水線 ADC——用于超快速采樣

在介紹中，我們提到流水線ADC對(duì)于RF應(yīng)用和軟件定義無(wú)線電等最高采樣速率非常重要。

在過(guò)去的10到15年里，頂級(jí)模擬公司一直在大量投資研發(fā)（R&D）到流水線ADC。ADI公司長(zhǎng)期以來(lái)一直主導(dǎo)著這一市場(chǎng)，但德州儀器（TI）和凌力爾特（Linear Technology）近年來(lái)表現(xiàn)強(qiáng)勁。還有一些利基參與者，但沒(méi)有一家在這三個(gè)IC制造商的進(jìn)步中取得重大進(jìn)展。流水線ADC的前兩個(gè)品質(zhì)因數(shù)是速度和功耗。這些 ADC 的采樣速率介于大約 10Msps 至每秒幾千兆采樣 （Gsps） 之間，適用于軟件定義無(wú)線電、雷達(dá)、通信、基站等需要超快速采樣的應(yīng)用。如果超快的速度是流水線ADC的主要標(biāo)準(zhǔn)，那么ADC的接口就變得更加重要。

流水線ADC的下一個(gè)大戰(zhàn)場(chǎng)很可能基于ADC和處理器或FPGA之間的數(shù)字接口。并行數(shù)字接口一直是首選的接口，因?yàn)槟梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)流式傳輸大量轉(zhuǎn)換器位。串行LVDS接口已應(yīng)用于超聲等具有大量通道的應(yīng)用，并且采樣速率在50Msps和65Msps之間歷來(lái)就足夠了。

JESD204B 串行接口

JESD204B串行接口是一種高達(dá)12.5Gbps的高速串行標(biāo)準(zhǔn)。由于上述模擬公司和數(shù)字公司（如Xilinx，Altera，F(xiàn)reescale等），該接口近年來(lái)出現(xiàn)。使用JESD204B接口，ADC制造商將其采樣速率推得越來(lái)越高，F(xiàn)PGA和處理器公司的串行收發(fā)器（也稱為串行器/解串器（或SerDes））也是如此。

這些更快的數(shù)據(jù)速率使得在更短的時(shí)間內(nèi)以更少的PCB連接獲得更多數(shù)據(jù)成為可能?？紤]一個(gè)多通道應(yīng)用，其中許多ADC并行，即ADC和FPGA/處理器之間的布線。使用JESD204B串行接口，數(shù)據(jù)線數(shù)量大大減少，并保留電路板空間。圖3顯示了如何僅使用單個(gè)串行輸出對(duì)和同步輸入，從而大大減少了ADC和FPGA/處理器所需的輸入/輸出（IO）引腳數(shù)量。

圖3.JESD204B串行接口大大減少了ADC和FPGA/處理器之間的數(shù)據(jù)線數(shù)量。5

請(qǐng)注意，近年來(lái)關(guān)于JESD204B的文章很多，更深入的細(xì)節(jié)可以在其他文章中找到。

使用流水線ADC的電源的關(guān)鍵問(wèn)題

現(xiàn)在，更多的ADC可以封裝在狹小的空間內(nèi)，功耗變得更加成問(wèn)題。這就是為什么領(lǐng)先的ADC制造商一直在努力降低功耗的原因。功耗在很大程度上取決于位、速度和交流規(guī)格，如信噪比 （SNR） 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR）。一個(gè)好的規(guī)則是每1Msps1mW。如果您的ADC接近該值，那么您就有一個(gè)良好的起點(diǎn)。

針對(duì)微控制器、FPGA、處理器和 SoC 優(yōu)化的 ADC

微控制器中的ADC

在過(guò)去的幾年里，選擇最好的ADC嵌入微控制器并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。集成到微型中的ADC通常不是最高質(zhì)量的。從歷史上看，當(dāng)12位ADC嵌入微處理器時(shí)，就有效位數(shù)（ENOB）或線性度而言，它更有可能像8位ADC一樣運(yùn)行。同樣，16位ADC的工作方式可能更像12位ADC。為了確保ADC應(yīng)用具有足夠的性能，用戶必須仔細(xì)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格，然后確定哪些規(guī)格是有保證的。僅列出ADC典型規(guī)格或條件不完整的最小和最大規(guī)格的情況并不少見。

最近，積分非線性（INL）、差分非線性（DNL）、增益誤差和ENOB等ADC性能已經(jīng)得到充分改善，可以為某些微器件提供高質(zhì)量的ADC讀數(shù)。毫不奇怪，集成ADC的微型器件數(shù)量大幅增長(zhǎng)。

如今，如果應(yīng)用需要12位或更少，并且只有幾個(gè)通道，那么微型ADC（通常是SAR或Δ-Σ）可能是最具成本效益的解決方案。微型ADC可能足夠的例子包括內(nèi)務(wù)管理應(yīng)用（如監(jiān)控電源）或精度較低的溫度檢測(cè)（如測(cè)量二極管）。

FPGA、處理器和 SoC 中的 ADC

FPGA制造商也開始將ADC集成到其系統(tǒng)中。例如，Xilinx 在其所有 12 納米（1 系列）FPGA 和 ZynqSoC 中提供 28 位、7Msps ADC。還有各種各樣的處理器和 SoC 集成了 ADC。10位或12位以及高達(dá)1Msps是包含ADC的常見規(guī)格。?

ADC 在 FPGA、 處理器 或 SoC 中的 板 位 是 一個(gè) 關(guān)鍵 的 決定。許多處理器系統(tǒng)（如可編程邏輯控制器 （PLC））具有單獨(dú)的模擬板和數(shù)字板。將ADC定位在特定電路板上可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。CPU模塊通常容納FPGA或SoC，但模擬輸入信號(hào)可以放在一個(gè)完全獨(dú)立的卡上，高速數(shù)字背板連接兩者。您不會(huì)通過(guò)這樣的連接路由敏感的模擬，因此在這種情況下，在FPGA、處理器、SoC（或微型）中集成ADC是沒(méi)有幫助的。這就是您絕對(duì)需要一款優(yōu)秀的分立式ADC的地方，其中24位Σ-Δ型ADC是PLC應(yīng)用中最常見的選擇。

以PLC為例，隔離是另一個(gè)需要考慮的因素。大多數(shù)PLC模擬輸入包括某種形式的隔離，通常是數(shù)字隔離。許多模擬輸入模塊集成了低成本的微型（<2美元至3美元，美國(guó)），以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和快速中斷?，F(xiàn)在，隔離的位置決定了內(nèi)部ADC是否可行。如果隔離位于處理器（或微型）和背板之間，則集成到微型中的ADC是您的朋友。如果需要將微器件與高壓輸入信號(hào)隔離，則分立式ADC和數(shù)字隔離器是最佳解決方案。

你最好的選擇是什么？

在回顧了幾個(gè)ADC選項(xiàng)之后，我們回到了最初的問(wèn)題：所測(cè)量信號(hào)的速度、功耗和精度有多重要，以及如何選擇一個(gè)？

這要看情況。雖然負(fù)責(zé)選擇正確ADC的數(shù)字設(shè)計(jì)人員和電源專家更喜歡更明確的指令，但ADC通常是復(fù)雜、細(xì)致入微的IC，需要研究數(shù)據(jù)手冊(cè)和評(píng)估（EV）套件。

如果您有一個(gè)相當(dāng)快的信號(hào)，例如電機(jī)以每分鐘1，000轉(zhuǎn)以上的速度嗡嗡作響的振動(dòng)分析，那么SAR ADC可能是最好的。

如果您的應(yīng)用是低速（接近直流），如緩慢移動(dòng)的溫度信號(hào)，則Σ-Δ型ADC可能是最好的選擇。

如果唯一需要的是簡(jiǎn)單的低分辨率讀取內(nèi)務(wù)功能，則微型、FPGA、處理器或SoC中的集成ADC可能可以完成這項(xiàng)工作。

如果應(yīng)用必須測(cè)量世界上最快的模擬信號(hào)，那么流水線ADC是最佳選擇。

雖然模擬公司不斷創(chuàng)新，但這些規(guī)格的速度更快，功耗更低，價(jià)格可能更低。表1總結(jié)了當(dāng)今市場(chǎng)上ADC的典型最小和最大規(guī)格。

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審核編輯：郭婷