从技术到产品 | 士模SAR ADC

逐次逼近型(SAR)ADC由于其极佳的信噪比和非线性，以及低功耗和无延迟等特性在工业自动化(轨道交通，电池化成，电机控制等)、能源(继电保护，新能源逆变等)和仪器仪表(高线性度测量仪表，芯片测试设备ATE等)等领域得到了极为广泛的应用。

目前国产化SAR ADC大多沿袭了国际竞品的原有电路架构，难以避开国际竞品的特有工艺而需要在非大陆晶圆厂流片，而且存在知识产权风险，在如今复杂多变的国际局势下为供应安全带来了不确定性。更重要的是工业产品都需要长期可靠地工作，如果仅沿袭原有电路而对电路理解不透彻，也会为工业现场苛刻的工作环境下的可靠性埋下隐患，而且无法迭代更新产品。

士模SAR ADC产品CM2248、CM2268和CM2368采用士模原创的变增益放大器直驱SAR ADC内核架构(直驱direct-drive架构)，实现了较国际竞品更高的信噪比和更低的功耗，并通过正向设计突破工艺瓶颈，实现了境内流片，更大限度地保障了供应安全。该系列产品已经通过轨道交通客户24个月、电力和其他工业客户18个月的批量验证测试，在头部客户得到了广泛的应用。

产品亮点

CM2248、CM2268和CM2368是8通道高精度SAR ADC，内置灵活的数字滤波器、低温漂2.5V基准电压源、基准电压缓冲器以及高速串行和并行接口，1MΩ的高输入阻抗以及片内滤波器，可以极大简化外围电路设计。

CM2248具有16位分辨率，200kSPS采样率，±10V档位下SNR高达92dB，采用5V单电源供电，可以处理±10V、±5V真双极性输入信号。输入钳位保护电路可以承受高达±18.5V的电压。

CM2268和CM2368分别具有16位和18位分辨率、双极性输入、1MSPS采样率，都可以处理单端±12.5V、±10V、±5V、±2.5V和差分±25V、±20V、±12.5V、±10V、±5V真双极性输入信号。输入钳位保护电路可以承受高达±19.5V的电压。

CM2248、CM2268和CM2368与国际竞品的性能对比(如表1所示)，在同等分辨率和采样率下，其SNR较国际竞品提高2dB，同时CM2268和CM2368在功耗上较国际竞品降低30%。这些测试结果充分展示了士模原创的直驱direct-drive架构的优势。

士模自主设计且量产的SAR ADC还包括CM2249(竞品AD7616)、CM2322(竞品AD7982)、CM2220(竞品AD7980)、CM2219(竞品AD7699)和CM2209(竞品AD7689)等。其中CM2248和CM2249已经通过了广五所的AQKK安全可控认证。

技术亮点

变增益放大器直驱SAR ADC内核架构

AD7606和AD7606C的芯片架构均采用三个级联的电路模块，即：变增益放大器+ADC驱动器+SAR ADC内核。为了实现高精度，SAR ADC内部通常使用很大的采样电容(如图1中的Cs)来降低采样噪声，因此需要专门的ADC驱动器。这种传统解决方案虽然可以满足驱动力的需求，但驱动级电路中的电阻负反馈放大器(如图1中的 Rs、RF和运放)增大了功耗和以及噪声，导致信号链路信噪比下降。

为了提升信噪比并降低功耗，士模采用自主创新的变增益放大器直驱SAR ADC内核架构(直驱direct-drive架构)。信号链路精简为“变增益放大器+SAR ADC内核”，移除了ADC驱动器及其额外噪声和功耗。同时，士模对变增益放大器和SAR ADC的连接方式进行全新设计，解决驱动力问题。具体创新技术点包括采样重构技术、采样软开关技术、噪声阻断技术等，这些关键技术创新使得直驱direct-drive架构成为可能，满足客户对SAR ADC高精度、高信噪比和低功耗的需求。直驱direct-drive架构和相关创新技术点已经获得多项发明专利保护。

可靠性设计

为满足工业客户对产品可靠性的高要求，在功能设计的同时，需要对潜在的失效模式及机理进行可靠性设计。以保护电路为例，CM2248采用了模拟输入钳位保护电路设计：各通道模拟输入通过独特的双极性ESD电路设计，即使在单电源5V供电下，也可支持输入信号幅度过压达±18.5V。当模拟信号输入范围在±18.5V之内时，此钳位保护电路不会开启。一旦高于此电压范围，钳位保护电路开启，可迅速泄放电流。得益于此ESD电路设计，各通道模拟输入HBM电压可达8KV。

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SAR ADC配套产品

放大器

CM4101(对标OP27)，3nV/√Hz@1kHz低噪声，双极性工艺以其出色的噪声性能和低失调电压，非常适合作为SAR ADC的驱动电路。

CM4132(对标AD8606)，最大失调电压100μV，远小于国际竞品，其超低偏流、失调电压和宽带宽，非常适合光传感器调理电路。

基准源

CM5102(对标AD780)，可以选择性输出2.5V和3V电压，最大温漂5ppm(-55℃~125℃)，可以满足绝大多数场景。

CM5405(对标LT1021)，可以输出5V电压，最大温漂3ppm(-55℃~125℃)，更能满足工业医疗等应用场景。

LDO

CM6111(对标LT3042)，200mA，其超低噪声和高PSRR(79dB@1MHz)，可以完美的匹配高精度信号链需求。

CM6511(对标LT1964)，200mA，负压，可以满足工业现场双极性输入的要求。

质量与服务

对高性能的极致追求也包含了对质量的严谨态度，只有精益求精的工匠精神才能做到两者的兼顾。为满足工业客户对产品一致性、稳定性和可靠性的高要求，士模已经建立整套从研发设计、实验室测试、批量生产验证测试到客户应用参考设计及支持、售后失效分析等产品全生命流程的支持和服务体系。

质量保障

• 产品质量：工程阶段/量产阶段/产品生命周期内均对产品的制成能力/SPC/PFMEA/Control Plan/变更管理有明确的管控要求及效果确认。

可靠性及失效分析：参考工规/车规的可靠性标准执行严苛的Qual及量产监控可靠性，具备失效分析流程及第三方合作的实验室。

• 售后质量：按照2485原则处理客户诉求及现场支持分析，建立可追溯性管理制度进行异常追踪及品质管理；遵循J-STD-046进行变更管理。

技术服务

• 系统解决方案：工业现场应用场景的多样化，对信号采集系统的要求也是多样的。士模FAE团队拥有一流的从原理图、PCB到嵌入式开发的技术背景，目前在北京、上海、苏州、武汉和深圳均有贴近客户的布局，可以和客户一起设计、验证和实现各种不同信号采集系统的解决方案。
• 全方位技术支持：发挥产品全正向设计的优势，依托扎根于国内市场的研发、AE和FAE团队，士模可以为客户提供一站式技术服务，及时解决客户在产品应用过程中的技术问题。