关于集成式和独立式ADC的性能权衡解析

当今复杂的分布式系统正在采集和分析更多的模拟数据，同时还提供监控和诊断功能。随着这些系统变得越来越复杂，对精确测量模拟信号的关键需求不断增加。为了更好地满足这些精度要求，设计人员往往要在集成模数转换器(ADC)的微控制器(MCU)和独立的ADC之间做出选择。那么，集成ADC和独立ADC之间有什么区别，哪个更适合你的应用呢？

首先，让我们探讨一下集成式和独立式ADC的性能权衡，然后我们可以确定如何为您的应用做出正确的选择。

集成式ADC：性能权衡

工艺技术

让我们从做集成ADC的设计的半导体集成电路（IC）工程师的角度来看ADC。由于ADC是MCU的外设，所以集成ADC设计者会倾向于使用MCU友好的工艺，比如小几何28-nm工艺，它为MCU提供了良好的数字密度和高速晶体管。虽然小几何工艺也可以减小ADC的尺寸，但这种方法有很大的折衷。

由于工艺成本大幅提高，ADC的相对成本将增加。

工艺上可用的元件尺寸将增加ADC的固有噪声，特别是热噪声，或kT/C噪声。

ADC设计中用于降低热噪声的较大电容将成为较小几何工艺的重要设计限制（在较小几何上实现模拟性能所需的元件在几何上更具挑战性）。

较小几何尺寸的电容器将在设计中引入漏电和非线性。

匹配问题不像大几何工艺（如90纳米或180纳米）那样可控，将导致制造工艺缺乏控制，以及ADC参数性能的变化。

小几何工艺的另一个挑战是1/f噪声。1/f噪声在低频时占主导地位，并且从dc开始大约以1/√(频率)的系数下降。在较高的频率下，白噪声在一个称为角频率的点上开始主导1/f噪声(图1)。如果设计者想通过使用数字补偿技术（如平均或过采样）来提高性能，他们需要确保他们的采样值只包含白噪声而不是1/f噪声。

1. 白噪声是噪声频谱的平坦部分：1/f噪声存在于较低的频率，在角频率处大约上升出白噪声。

较小的几何过程与较大的几何过程的问题是，角频率偏高--明显偏高。这正是为什么数字滤波技术，如平均或过采样，在高1/f角频率的系统中不能提高系统性能。事实上，在某些情况下，数字滤波技术会降低系统性能。简而言之，工艺的局限性将最终决定ADC的可实现性能(图1，再次)。

IC布局

如果MCU被拼装在ADC旁边的IC上，ADC的模拟性能将受到以下影响：

快速开关的MCU将把开关噪声和接地反弹引入电路，特别是由于尺寸缩小到IC的面积，使得问题成倍地难以解决。

时钟同步和管理技术可用于将这些影响降至最低，但外设和异步事件的相互作用仍会影响ADC性能。

温度

第三个挑战是模拟性能的最大敌人之一：温度。坐在ADC旁边的MCU会像一个可变的温度源，从高速有源电源（热）到待机、睡眠或休眠（不那么热）。这样的温度变化会导致电子电路（尤其是模拟电路）发生不好的事情。

为了在时变的温度环境中实现可预测的性能，需要增加温度补偿电路。这就增加了系统的尺寸和成本，这是集成ADC难以承受的奢侈品。

测试成本

MCU是数字设备，因此，它们在数字测试平台上使用数字测试矢量进行测试。数字测试方案经过优化，在最短的测试时间内对数字参数进行测试，以在最少的时间内通过最多的单元量。

如果这些数字测试平台具有模拟测试能力，往往是有限的、低性能的模拟测试能力。这就使得测试平台缺乏精度和噪声，难以测试模拟性能的水平。这就是为什么MCU上模拟外设的规格通常是 "通过设计保证 "或 "通过特性化保证"。这些测试器的其他一些限制因素是：

它们通常只能测试模拟功能，或者说模拟在做什么，而且通常没有能力准确测试模拟在温度上的性能。

测试仪的限制随后限制了ADC的性能规格（如果你的测试仪只有100-ksample/s、8位的能力，你就无法测试指定为1-Msample/s、12位ADC性能的器件）。

在数字测试平台上增加精密模拟测试能力是不实际的。它需要增加一个数量级的测试成本，这将使器件成本有相应的增加。

独立的ADC：性能权衡

工艺技术

对于独立的ADC，由于ADC是主要元件，而MCU是ADC的外设，因此IC设计者可能会选择使用对ADC友好的制程，如180纳米制程，为ADC提供更大的匹配良好的元件。然而，这种工艺有一个基本的折衷，将限制ADC的性能。

通过使用更大的几何工艺，设计者将不会拥有针对数字处理或串行通信的优化工艺。相反，它将不得不依靠模拟设计和布局技术来确保数字性能。这种缺乏小数字密度和速度优化的情况将增加器件的成本，数字性能将受到工艺的限制。

IC布局

在管理噪声方面，独立的ADC与集成ADC方式相比有两个优势。

器件上的其他外设不会影响模拟性能。

开关噪声可以得到管理，因为关键的模拟功能可以在时钟安静时执行。

溫度

同样，模拟性能的最大敌人是温度，但独立ADC在这种情况下比集成ADC更有优势，因为。

ADC旁边没有时间变化的温度源（比如MCU）。

由于这个过程是模拟友好的，所以可以很容易地添加模拟友好的温度补偿电路，以尽量减少温度变化的影响。

测试成本

ADC是模拟器件，因此要在模拟测试平台上使用精密模拟设备进行测试。但是，这也有大大增加测试成本的因素。

与数字测试平台不同的是，数字测试平台在测试机之间有严格控制的变化，而模拟测试平台往往在负载板、模拟信号发生器和模拟测量系统之间有很多变化。由于需要校准，这通常会增加测试成本。另外，为了保证模拟电路在温度上的性能，模拟电路的补偿技术通常需要在最终测试时进行温度修整，以保证低温漂移。

现在我们知道了混合信号和模拟的折衷，那么它们是如何影响准确度和精度的呢？

准确度和精度

准确度和精密度是两个经常互换使用的术语，但它们的含义却截然不同。准确度是指测量值与实际值相匹配的能力，在试图测量一个特定的值时需要。精度是指测量值持续重现的能力，换句话说，是指测量的可重复性。测量的精度越高，就越能分辨出较小的差异。

例如，考虑一个体重秤。如果把1.000金衡盎司的金子放在秤上，测了三次，分别表示1.001、1.000和1.000，那么这就是高精度（0.0005-盎司标准差）和高精度（平均后误差0.03%）。如果不同的秤得到的读数是1.018、1.017和1.018盎司，那么这仍然算是精度高（0.0005-盎司标准差），但精度较低（1.8%的误差）。

那么，精度和准确度哪个更重要呢？嗯，这取决于应用，但有很多情况下，精度和准确度都需要。

准确度

要确定您是否需要精度，首先要了解传感器在您的应用中是如何使用的。让我们考虑一个使用负温度系数(NTC)热敏电阻进行温度测量的例子。在NTC的电阻与温度图中，首先突出的是该器件的非线性（图2）。

2. 热敏电阻温度特性曲线说明了对电阻变化的温度响应。

如果设计者只需要在较低的环境温度下测量NTC，那么可以使用较低分辨率的ADC。如果需要测量整个温度范围内的温度，那么必须考虑较高环境温度下的最坏情况，这意味着要使用分辨率高得多的ADC。

要将其等同于系统精度，就要定义温度范围，并计算该范围内需要多少温度精度。温度范围将被转换为ADC的模拟电压输入范围。精度将是应用所能容忍的测量模拟输入的最小偏差。

精度

其次，考虑精度。理想情况下，精度需要优于精度。如果在系统的反馈回路中使用温度读数，那么反馈回路应该非常稳定。如果精度比准确度差，那么反馈环路可能会不稳定。

ADC衡量精度和准确度的标准

影响精度的重要ADC规格是积分非线性、微分非线性、偏移、偏移漂移、增益和增益漂移。为了确定精度，需要评估这些误差源的贡献。同样，精度由术语有效位数（ENOB）定义。它告诉你在一组ADC读数中看到的与真实平均值的偏差。换句话说，您所获得的68.3%（或与平均值的一个标准偏差）的ADC读数将落在ENOB定义的范围内。

为了说明这一点，让我们回到NTC的例子。假设NTC的输出在整个温度范围内校准为线性，在-40°C时给出0 V，在85°C时给出2.5 V，而我们希望以1°C的精度进行测量。因此，在125°C范围内的1°C精度就是整个范围内的0.8%精度。

假设我们有一个12位的ADC，总误差为1 LSB，输入范围为2.5 V，那么从ADC测量的精度可以预期为1/4096或0.024%或2.5 V/4096位或610 µV/bit，这是所需精度的33倍。因此，从理论上讲，一个12位ADC应该有足够的精度来满足这些要求。

现在让我们仔细看看一个新发布的MCU内的12位、400-ksample/s集成ADC的例子。

在其数据表中，总未调整误差(TUE)规定为-40至85℃的±1.8%。一个6位ADC的总误差为1LSB，其精度为1.6%，那么12位ADC的其他6位呢？不仅如此，误差也可以是正的或负的--ADC的读数可能有3.6%或90-mV的变化。在这种情况下，随温度变化而产生的大的增益误差对降低精度有很大的贡献。这种较大的精度误差是工艺技术固有限制的副产品。

事实上，在阅读集成ADC的数据表时要非常小心。在某些情况下，由于集成ADC的噪声、漂移和集成电压基准的性能差，集成ADC的数据表只规定了使用外部电压基准的ADC性能，这就违背了使用集成模拟元件的目的。因此，在这种情况下，集成ADC的精度还不够好，无法满足我们0.8%的要求。

那么，集成ADC的精度呢？从精度规格来看，ENOB为11.1位，相当于2.5-V模拟输入信号的分辨率约为1.1-mV。精度是其精度的80倍左右。其结果是，集成ADC的误差为90.7 mV，精度约为1.1 mV rms。通过使用外部参考，可以提高集成ADC的精度。但是，由于ADC的指定方式，外部参考能提高多少精度性能还不得而知。

接下来，可以考虑独立的ADC，比如Microchip Technology的MCP33141-10。

从这个12位、1-Msample/s的ADC的精度来看，计算TUE并与集成ADC进行比较。在-40℃至125℃的温度范围内，TUE相当于±0.06%。这比集成ADC的精度高30倍，而且是在更宽的温度范围内。在精度方面，独立ADC的ENOB为11.8位，所以在这个例子中，独立ADC的精度比它的精度好4倍左右。结果是，独立ADC的误差为2.9 mV，精度约为0.7 mV rms。

在这种比较中，集成式ADC和独立式ADC的精度非常接近（见表）。然而，即使集成ADC的精度很高，也无法达到1%的精度要求。只有独立的ADC能够满足NTC温度传感器的1℃或0.8%的温度精度要求。

准确度和精确度的系统考虑

只看ADC的精度的问题是，它没有考虑使用ADC的系统（或系统）中的变量。如果ADC是准确和精确的，那么ADC的输出将在所有设备和所有条件下保持一致，而不是只对某一设备或某一条件保持一致。

因此，如果不需要系统与系统之间或系统需要工作的所有条件之间的精度或一致性，那么使用集成ADC的优势在于降低复杂性、尺寸和价格。使用集成ADC的复杂性会更低，因为不需要开发软件来连接外部ADC，也不需要考虑模拟和数字信号进出ADC的位置和路由。将ADC与MCU集成在一起，意味着整个电路板的面积也将更小。此外，具有集成ADC的MCU的价格通常低于MCU和独立ADC的综合价格。

但是，如果在系统与系统之间或在系统需要工作的所有条件下都需要精度、准确度和一致性，那么在ADC的选择上就要非常谨慎。不要做一个落入陷阱的设计者，认为器件变化会很小，可以用数字补偿技术来补偿不准确或不一致的模拟性能。请记住，由于工艺的固有限制，数字补偿技术有可能降低系统的精度，同时增加复杂性。

另外，确保ADC和电压基准不仅规定了精度，而且规定了温度下的精度。如果ADC没有指定温度下的精度，那么工艺、制造、测试和温度变化在系统中显示为误差的风险就很高。更糟糕的是，这些变化并不是确定的。一个设备可能具有显著的正增益漂移，而另一个设备可能表现出显著的负增益漂移。这些广泛的变化可能导致系统的不稳定。

当在集成ADC和独立ADC之间做出决定时，只是在成本、精度和性能的一致性之间做出选择。一旦你定义了所需性能的精度或一致性，那么选择就变得简单了。

编辑：hfy