为您的应用选择合适的ADC

目前有许多不同的模数转换器可供选择，包括分立式ADC和集成到数字IC中的ADC，如微控制器、处理器和FPGA。哪种ADC最适合您的应用？您是否需要最高精度、简单的内务检查或介于两者之间？什么采样率就足够了。此应用程序会记录所有这些内容。它还重点介绍了最新的先进SAR、三角积分、流水线和集成ADC。

您正在测量的信号的速度、功率和准确性有多重要？你有什么选择？有这么多不同的模数转换器（ADC），您如何选择一种？

有独立（或分立）ADC，典型范围为8位至24位，甚至有些具有32位选项。ADC 内核还集成到微控制器、FPGA、处理器或完整的片上系统 （SoC） 中。有逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 和 Σ-Δ 版本。当需要最高采样速率速度时，使用流水线ADC。一些ADC的采样频率低至每秒约10个样本，有些则远高于1Gsps.ADC的价格从<1美元到265美元或更高不等。流水线ADC的1，000件清单中的一些在很大程度上远低于公布的“1k”价格。

为了帮助您为您的应用选择正确或最佳的ADC，我们将仔细研究这些不同类型的ADC，并解释它们的最佳工作条件。

SAR ADC – 用于中端速度和快照数据

SAR ADC提供广泛的位和采样速率或速度。SAR ADC 的工作范围从 6 位或 8 位到高达 20 位，工作频率通常在每秒几千采样 （ksps） 到每秒 10 兆采样 （Msps） 之间。SAR ADC 是电机控制、振动分析和系统监控等中档应用的理想选择。它们不如流水线ADC快，但通常比Δ-Σ型ADC更快（下面还将讨论两者的用途）。

客户什么时候会想要这个？当 需要 同时 测量 多个 信号 时， 可以 同时 使用 多个 单 SAR ADC 进行 采样， 或者 使用 具有 多个 ADC 或 多个 采样 （T/H） 内核 的 同时 采样 ADC。这允许系统在同一时刻测量多个模拟输入。

SAR ADC随采样速率线性调节功耗。例如，在5Msps时功耗为1mW的SAR ADC在5ksps时通常仅消耗1μW。因此，SAR ADC非常灵活，客户可以为多种应用储备一个零件号。

SAR ADC还有另一个优点：它们拍摄模拟输入信号的“快照”。SAR 架构仅在一个时刻采样（即“抓取”）。（稍后，我们将解释此快照与对模拟输入进行多次采样的Δ-Σ型ADC有何不同。

电流和电压互感器使用 SAR ADC 进行继电保护应用。在这里，客户在同一时刻测量不同的电流和电压相位。电力公司就是一个很好的例子。通过精确的快照数据，公用事业公司可以确切地知道电线下有什么，以及如何最有效地管理电网。

Σ-Δ型ADC——通过更多位实现更高的精度

当您希望从更多采样位获得精度或确实需要最高有效位数（ENOB）时，Σ-Δ型ADC通常是最佳选择，特别是对于低噪声精密应用。当速度不那么重要时，Σ-Δ ADC的过采样和噪声整形可提供非常高的精度。

哪些应用可能需要> 20 位无噪声分辨率？仪表单元和气相色谱仪或石油和天然气行业是示例应用，通常希望（甚至要求）从尽可能多的位获得精度。这些系统应用为精密模拟信号设定了基准，在这些应用中，最终用户必须绝对确定他们的数据——确切地说有多少低硫原油或天然气在流动。

随着SAR ADC市场在5到10年前开始饱和，Maxim Integrated、ADI公司、德州仪器和凌力尔特等公司都投资了多个Σ-Δ内核。目前的结果是非常好的ADC，最高可达24位或32位，采样速率在10sps到几Msps之间。

调制器与否？

Σ-Δ型ADC在速度和采样速率方面变得越来越难以分类。

传统的Σ-Δ在内部完成所有数字后处理（例如，使用SINC/陷波滤波器、抽取和噪声整形）。从那里，数据以非常好的 ENOB 串行发送出去。例如，如果您有一个 24 位 ADC，则数据输出包括 24 位。第一个位输出是最有效位（MSB）和24千位是最低有效位 （LSB）。数据输出速率通常是串行时钟速率除以 24。这些不是最快的，也不是最灵活的ADC。

然而，在过去的5到10年中，Σ-Δ调制器变得越来越流行，特别是在需要良好速度（通常约为1Msps或更高）的应用中。Σ-Δ调制器不会等到全24位输出被抽取，而是一次流出一位数据，并将数字滤波留给处理器或FPGA进行分析。

这种调制器灵活性对于电机控制等应用很有帮助，在这些应用中，12至16位是不够的。在这里，如果8位数据流中的最后24个LSB提供足够的模拟测量，则电机控制器可能不需要或想要等待最后16个LSB。

近年来，Σ-Δ调制器已达到16位和20Msps。

选择 SAR 与 Sigma Delta——决定因素是速度

输入滤波器是为您的应用选择合适的ADC时的另一个重要考虑因素。回想一下，SAR 架构采用高速快照。当应用推送到更高的采样速率（100ksps及以上）时，输入滤波器变得更加复杂。通常，需要一个外部缓冲器或放大器来驱动输入电容并在短时间内建立。这意味着放大器必须有足够的带宽。图1所示为采用16位、500ksps MAX11166 SAR ADC的示例。位越高，采样速率越快，输入必须建立正确的输入读数的时间常数就越短。

图1采用增益带宽为9632MHz的MAX55放大器，后接一个简单的RC滤波器。该放大器提供< 1nV/根 Hz 噪声，因此可以从系统获得十分之一 dB 的 ENOB。

图1.SAR ADC （MAX11166/MAX11167）输入滤波器示例显示MAX9632放大器，增益带宽为55MHz，驱动ADC输入。

与SAR ADC相比，Δ-Σ型ADC中的输入被过采样很多次，因此抗混叠滤波器要求通常不那么严格。通常，一个简单的RC滤波器就足够了。图2是MAX11270 24位、64kspsΣ-Δ型ADC的示例。这里以惠斯通电桥为例，差分输入之间有一个10nF电容。

图2.Σ-Δ型ADC （MAX11270）输入滤波器示例需要一个简单的外部RC滤波器。

流水线 ADC——用于超快速采样

在介绍中，我们提到流水线ADC对于RF应用和软件定义无线电等最高采样速率非常重要。

在过去的10到15年里，顶级模拟公司一直在大量投资研发（R&D）到流水线ADC。ADI公司长期以来一直主导着这一市场，但德州仪器（TI）和凌力尔特（Linear Technology）近年来表现强劲。还有一些利基参与者，但没有一家在这三个IC制造商的进步中取得重大进展。流水线ADC的前两个品质因数是速度和功耗。这些 ADC 的采样速率介于大约 10Msps 至每秒几千兆采样 （Gsps） 之间，适用于软件定义无线电、雷达、通信、基站等需要超快速采样的应用。如果超快的速度是流水线ADC的主要标准，那么ADC的接口就变得更加重要。

流水线ADC的下一个大战场很可能基于ADC和处理器或FPGA之间的数字接口。并行数字接口一直是首选的接口，因为您可以在短时间内流式传输大量转换器位。串行LVDS接口已应用于超声等具有大量通道的应用，并且采样速率在50Msps和65Msps之间历来就足够了。

JESD204B 串行接口

JESD204B串行接口是一种高达12.5Gbps的高速串行标准。由于上述模拟公司和数字公司（如Xilinx，Altera，Freescale等），该接口近年来出现。使用JESD204B接口，ADC制造商将其采样速率推得越来越高，FPGA和处理器公司的串行收发器（也称为串行器/解串器（或SerDes））也是如此。

这些更快的数据速率使得在更短的时间内以更少的PCB连接获得更多数据成为可能。考虑一个多通道应用，其中许多ADC并行，即ADC和FPGA/处理器之间的布线。使用JESD204B串行接口，数据线数量大大减少，并保留电路板空间。图3显示了如何仅使用单个串行输出对和同步输入，从而大大减少了ADC和FPGA/处理器所需的输入/输出（IO）引脚数量。

图3.JESD204B串行接口大大减少了ADC和FPGA/处理器之间的数据线数量。5

请注意，近年来关于JESD204B的文章很多，更深入的细节可以在其他文章中找到。

使用流水线ADC的电源的关键问题

现在，更多的ADC可以封装在狭小的空间内，功耗变得更加成问题。这就是为什么领先的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决于位、速度和交流规格，如信噪比 （SNR） 和无杂散动态范围 （SFDR）。一个好的规则是每1Msps1mW。如果您的ADC接近该值，那么您就有一个良好的起点。

针对微控制器、FPGA、处理器和 SoC 优化的 ADC

微控制器中的ADC

在过去的几年里，选择最好的ADC嵌入微控制器并不是一项简单的任务。集成到微型中的ADC通常不是最高质量的。从历史上看，当12位ADC嵌入微处理器时，就有效位数（ENOB）或线性度而言，它更有可能像8位ADC一样运行。同样，16位ADC的工作方式可能更像12位ADC。为了确保ADC应用具有足够的性能，用户必须仔细查看数据手册中的规格，然后确定哪些规格是有保证的。仅列出ADC典型规格或条件不完整的最小和最大规格的情况并不少见。

最近，积分非线性（INL）、差分非线性（DNL）、增益误差和ENOB等ADC性能已经得到充分改善，可以为某些微器件提供高质量的ADC读数。毫不奇怪，集成ADC的微型器件数量大幅增长。

如今，如果应用需要12位或更少，并且只有几个通道，那么微型ADC（通常是SAR或Δ-Σ）可能是最具成本效益的解决方案。微型ADC可能足够的例子包括内务管理应用（如监控电源）或精度较低的温度检测（如测量二极管）。

FPGA、处理器和 SoC 中的 ADC

FPGA制造商也开始将ADC集成到其系统中。例如，Xilinx 在其所有 12 纳米（1 系列）FPGA 和 ZynqSoC 中提供 28 位、7Msps ADC。还有各种各样的处理器和 SoC 集成了 ADC。10位或12位以及高达1Msps是包含ADC的常见规格。®

ADC 在 FPGA、 处理器 或 SoC 中的 板 位 是 一个 关键 的 决定。许多处理器系统（如可编程逻辑控制器 （PLC））具有单独的模拟板和数字板。将ADC定位在特定电路板上可能会成为一个问题。CPU模块通常容纳FPGA或SoC，但模拟输入信号可以放在一个完全独立的卡上，高速数字背板连接两者。您不会通过这样的连接路由敏感的模拟，因此在这种情况下，在FPGA、处理器、SoC（或微型）中集成ADC是没有帮助的。这就是您绝对需要一款优秀的分立式ADC的地方，其中24位Σ-Δ型ADC是PLC应用中最常见的选择。

以PLC为例，隔离是另一个需要考虑的因素。大多数PLC模拟输入包括某种形式的隔离，通常是数字隔离。许多模拟输入模块集成了低成本的微型（<2美元至3美元，美国），以实现快速响应和快速中断。现在，隔离的位置决定了内部ADC是否可行。如果隔离位于处理器（或微型）和背板之间，则集成到微型中的ADC是您的朋友。如果需要将微器件与高压输入信号隔离，则分立式ADC和数字隔离器是最佳解决方案。

你最好的选择是什么？

在回顾了几个ADC选项之后，我们回到了最初的问题：所测量信号的速度、功耗和精度有多重要，以及如何选择一个？

这要看情况。虽然负责选择正确ADC的数字设计人员和电源专家更喜欢更明确的指令，但ADC通常是复杂、细致入微的IC，需要研究数据手册和评估（EV）套件。

如果您有一个相当快的信号，例如电机以每分钟1，000转以上的速度嗡嗡作响的振动分析，那么SAR ADC可能是最好的。

如果您的应用是低速（接近直流），如缓慢移动的温度信号，则Σ-Δ型ADC可能是最好的选择。

如果唯一需要的是简单的低分辨率读取内务功能，则微型、FPGA、处理器或SoC中的集成ADC可能可以完成这项工作。

如果应用必须测量世界上最快的模拟信号，那么流水线ADC是最佳选择。

虽然模拟公司不断创新，但这些规格的速度更快，功耗更低，价格可能更低。表1总结了当今市场上ADC的典型最小和最大规格。

 

ADC 架构/规格	采样率/速度	分辨率/位	价格	权力
特区	直流至 10Msps	8 到 20	低到中	每千秒最低
西格玛三角洲	直流至 20Msps*	16 到 32	低到中	低到中
管道	10毫秒至5G SPS	8 到 16	最高	最高
集成在 μC/ 处理器/FPGA/SoC 中	直流至 1Msps	8 到 16	最低	低到中
* 调制器输出速度

 

审核编辑：郭婷