本白皮書(shū)介紹了為需要多路復用的高分辨率ADC功能的應用實(shí)現前所未有的成本和性能。本文討論了傳統的SAR方法，并介紹了新的高通量delta-sigma架構，例如失真性能和動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性性能。

ADC的基本要求始終圍繞分辨率，精度和帶寬。選擇ADC時(shí)必須考慮的其他重要考慮因素是信噪性能，失真和等待時(shí)間。許多應用需要ADC的快速響應能力，以便處理來(lái)自各種傳感器的高頻或連續讀數。在A(yíng)DC內有效多路復用多個(gè)信號的能力變得越來(lái)越重要。這是由于對在同一設備中處理多個(gè)模擬輸入的需求不斷增長(cháng)，例如設計能夠在生產(chǎn)環(huán)境中同時(shí)監視和集成來(lái)自多個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)輸入的PLC。

當然，在選擇任何組件時(shí)必須考慮的其他要求包括設備本身的成本以及確保其在整個(gè)設計中正常運行所需的任何支持電路的成本。對于A(yíng)DC而言，這可能是一個(gè)特別重要的問(wèn)題，尤其是在高性能多路復用環(huán)境中使用時(shí)，這是因為所需的支持電路可能會(huì )根據所選ADC的類(lèi)型而有很大不同。例如，如果ADC架構本身并不能提供出色的噪聲抑制和測量精度，則可能需要對電路進(jìn)行過(guò)度設計才能達到性能目標。在這方面，由于板級空間，與設計輸入緩沖器相關(guān)的成本和功耗要求可能會(huì )迅速超過(guò)SAR本身的低功耗規格。所有這些因素在經(jīng)濟有效地實(shí)現設計目標中都起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

傳統的SAR方法

傳統上，上面提到的高性能應用程序的類(lèi)型是使用SAR體系結構圍繞ADC設計的，該體系結構在連續的時(shí)間點(diǎn)提供一系列數據的“快照”。SAR通常針對需要快速響應和低延遲的應用。但是，由于SAR設備對噪聲敏感并且具有相對較低的DNL性能，因此對大量支持電路的需求通常會(huì )提高基于SAR的設計的總體成本和復雜性。

相比之下，傳統上使用Delta-Sigma架構的ADC能夠提供出色的DNL和噪聲性能，并允許復雜得多的支持電路。直到最近，Delta-Sigma ADC還沒(méi)有被認為適合用于需要低延遲和高轉換率以實(shí)現寬信號帶寬的高性能應用。但是，正如本文余下的測試數據所說(shuō)明的那樣，這種“常規智慧”不再成立。

引入新的高通量Delta-Sigma架構

隨著(zhù)新的高吞吐量數據轉換器CS556x / 7x / 8x系列的推出，Cirrus Logic從根本上擴展了系統設計人員可以使用的選件范圍。整個(gè)產(chǎn)品系列由16位和24位ADC器件組成，基于先進(jìn)的高通量Delta Sigma架構構建，該架構旨在以最高200 kSps的速率完全滿(mǎn)足每次轉換的要求。這提供了比SAR設備可比或更好的高響應，低延遲性能，因此使新的高吞吐量Delta-Sigma設備成為傳統上需要SAR的應用中經(jīng)濟高效的替代產(chǎn)品的理想選擇。

單周期延遲

過(guò)去，Delta-Sigma型ADC一直專(zhuān)注于對諸如溫度傳感器和磅秤稱(chēng)重傳感器等緩慢變化的信號進(jìn)行最高分辨率的測量。由于噪聲抑制對于在嘈雜的數字環(huán)境中獲得測量精度至關(guān)重要，因此設計人員已經(jīng)習慣于看到長(cháng)的“ sinc”型數字濾波器，這些濾波器具有出色的線(xiàn)頻率干擾抑制能力，例如50和60 Hz的線(xiàn)頻率及其諧波。這些濾波器易于實(shí)現，占用最小的管芯面積，并具有出色的噪聲性能。然而，這種濾波器趨向于相當長(cháng)（在傳送輸出字之前處理輸入信號所需的大量轉換周期），因此響應于輸入變化很慢。例如，

Delta-Sigma ADC的CS556x / 7x / 8x ADC平面FIR濾波器SAR性能

另一個(gè)重要功能是按需轉換的能力（另一個(gè)SAR功能）。這種功能使這些設備非常適合進(jìn)行異步測量，這在生產(chǎn)環(huán)境中通常是必需的。這樣就可以協(xié)調轉換與特定事件的轉換，例如將流量與脈沖或其他傳感器輸入同步。此外，運行雙極性電源時(shí)，可以使用真正的雙極性輸入。當前的工業(yè)產(chǎn)品采用單電源供電（僅+5 V），并且需要一個(gè)電平轉換器將雙極性信號向上移動(dòng)到地面以上，這會(huì )給系統誤差預算帶來(lái)額外的增益和失調誤差。

緩沖輸入具有許多優(yōu)勢

正如已經(jīng)討論過(guò)的，SAR型轉換器提出了許多設計挑戰。在模擬信號輸入端，這種情況最明顯。在模擬信號輸入端，設計人員必須嚴格注意元件的選擇和電路布局，以便在面對多個(gè)噪聲源的情況下獲得為轉換器指定的測量精度�？紤]到由于SAR架構中使用的高速比較器以及設備內部快速變化的數字電路，SAR轉換器本身可能會(huì )成為主要的噪聲發(fā)生器，所以即使對于最有經(jīng)驗的人來(lái)說(shuō)，這通常也不是一件容易的事，而且也是一項艱巨的任務(wù)系統設計師。

革命性設計-擁有悠久的卓越歷史

還需要注意的是，這種新的高通量Delta-Sigma器件系列來(lái)自一家供應商，該供應商以其在廣泛范圍內開(kāi)發(fā)高精度模擬和混合信號集成電路（IC）的專(zhuān)業(yè)知識而享譽(yù)全球。消費和工業(yè)市場(chǎng)。Cirrus Logic廣泛的產(chǎn)品組合已經(jīng)包括用于消費類(lèi)，專(zhuān)業(yè)和汽車(chē)娛樂(lè )應用的模擬和混合信號音頻IC，以及用于工業(yè)應用的高精度模擬和混合信號IC，例如工業(yè)測量，分析儀器，消費者公用事業(yè)，數字功率計和地震系統。

典型應用場(chǎng)景

高分辨率和不受限制的信號帶寬的結合使設計人員能夠根據其特定的應用要求對信號進(jìn)行噪聲處理和濾波。在適用的情況下，這甚至可以包括自適應過(guò)濾，其中系統可以動(dòng)態(tài)修改其過(guò)濾器以適應不斷變化的環(huán)境，從而提供以前無(wú)法用于高分辨率測量應用程序的新功能。

受這項新技術(shù)影響最激動(dòng)人心的應用領(lǐng)域之一是PLC和過(guò)程控制系統的嵌入式功能設計。近年來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境已越來(lái)越重視分散控制，它使用緊湊的多功能解決方案，這些解決方案可適應處理各種實(shí)時(shí)傳感器輸入以及嵌入式智能和閉環(huán)響應性，以實(shí)現本地決策循環(huán)。在太多情況下，不良的DNL性能，噪聲特性以及對額外支持電路的需求，限制了SAR用于實(shí)現下一代模塊化PLC的可用性。