哪款ADC适合你的应用？

作者:Maxim高级业务经理 Steve Logan  来源:中国电子商情

发布时间:2016-05-23

现在可供使用的模/数转换器（ADC）类型如此之多，并非必须是模拟信号链专家才能从中选择合适的一款。那么您的选择是什么？

独立式（或分立式） ADC范围通常为8位至24位，甚至有些32位可供选择。ADC核心也集成到微控制器、FPGA、处理器或完整的片上系统（SoC）。有逐次逼近寄存器（SAR）ADC和Σ-Δ版本。需要最高采样率时，使用流水线ADC。有些ADC的采样率低至大约10次每秒，有些则高于1Gsps。ADC的价格范围从不足1美元到265美元或更高不等。有些流水线ADC的1000片报价很大程度上是市场营销的“虚高”价格，这就意味着实际价格一般低于公布的“1k”价格。

速度、功耗以及所测信号的精度有多重要？为帮助您选择满足具体应用的正确或最好的ADC，我们略微深入了解一下这些不同的类型，并介绍其最佳工作条件。

SAR ADC——适用于中等速度和快照数据
SAR ADC提供较宽范围的位数、采样率或速度。从6或8位到高达20位，SAR ADC一般工作在数ksps到高达10Msps。SAR ADC是中速应用的好选择，例如电机控制、振动分析以及系统监测。此类ADC没有流水线ADC那么快，但一般比Δ-Σ ADC快。

SAR ADC的功耗与采样率成线性关系。例如，如果SAR ADC在1Msps时的功耗为5mW，那么1ksps时的功耗一般为5µW。因此，SAR ADC非常灵活，客户库存一款器件即可用于多种应用。

SAR ADC还有另外一种优势：获取模拟输入信号的“快照”。SAR结构只对单一时刻进行采样（即“抓取”）。（我们随后将解释这种快照与Δ-Σ ADC的区别，后者对模拟数据进行多次过采样。）客户什么时候需要这种类型？当需要同时测量多个信号时，可以利用多个单通道SAR ADC同时进行采样，或者使用内部具有多个ADC或多个采样/保持（T/H）核心的同时采样ADC。这允许系统在同一瞬间测量多路模拟输入。

电流和电压变压器利用SAR ADC支持保护继电器应用。此时，客户在同一时刻测量不同的电流和电压相。供电公司就是很好的例子。利用高精度快照数据，供电公司就准确知道电力线上的信号如何，以及如何高效地管理电网。

Σ-Δ ADC——利用较多位数获得更高精度
如果希望通过更多采样位来获得更高精度，或者确实需要最高的有效位数（ENOB），Σ-Δ ADC通常是最佳选择，尤其对于低噪声高精度应用。如果速度不太关键，Σ-Δ ADC的过采样和噪声整形能够实现极高的精度。

随着SAR ADC市场在5至10年之前开始趋于饱和，许多模拟器件厂商投资开发多种Σ-Δ内核。所以造成当今的ADC产品非常繁荣，采样位数高达24或32位，采样率从10sps到几个Msps不等。

什么样的应用需要20位以上的无噪声分辨率？仪表装置和气相色谱仪或天然气和石油行业就是此类应用的例子，通常希望甚至必须具备通过尽可能多的位数来获得高精度。这些都是为高精度模拟信号设定基准的系统应用，最终用户必须对其数据绝对有把握——低硫原油或天然气的准确流量。

调制器
最近，Σ-Δ ADC越来越难以按照速度和采样率进行分类。

传统上，Σ-Δ ADC在内部执行所有的数字后置处理（例如采用SINC/陷波滤波器、下采样以及噪声整形），然后以串行方式将数据输出，具有极好的ENOB。例如，如果是24位ADC，那么数据输出包括24位。输出的第一位是最高有效位（MSB），第24位是最低有效位（LSB）。数据输出速率一般等于串行时钟速率除以24。这些不是最快也不是最灵活的ADC。

然而，在过去的5至10年间，Σ-Δ调制器变得越来越流行，特别需要速度较高（往往为大约1Msps或更高）的应用。与等待全部24位输出下采样完成不同，Σ-Δ调制器以流化方式每次输出一个数据位，在处理器或FPGA中进行数字滤波，对数据进行分析。

这种调制器的灵活性对于例如电机控制的应用非常有利。在这种应用中，12位至16位已经足够，该应用中，如果24位数据中的前16位数据能够提供足够的模拟测量信息，电机控制器可能不需要或不想等待最后的8个LSB。

最近几年，Σ-Δ调制器已经达到了高达16位和20Msps。

SAR与Σ-Δ的选择——决定因素是速度
在为具体应用选择正确的ADC时，输入滤波器是另一项重要考虑因素。正像基努•里维斯和桑德拉•布洛克所说的那样，速度关乎生死。回顾一下，SAR结构捕获高速快照。当应用要求较高采样率（比如100ksps以上）时，输入滤波器就变得更加复杂。那么往往就需要外部缓冲器或放大器来驱动输入电容，并在很短周期内达到稳定。这意味着放大器必须具备足够的带宽。图1所示为采用16位、500ksps MAX11166 SAR ADC的例子。位数越多、采样率越快，输入必须达到稳定以及提供正确输入读数的时间常数就越短。

图1中，使用了增益带宽为55MHz的MAX9632放大器，之后是简单的RC滤波器。这款很特别的放大器具有小于1nV/√Hz的噪声，使其能够分辨系统中每个ENOB的十分之一dB。  

图1  SAR ADC （MAX11166/MAX11167）输入滤波器例子，具有55MHz增益带宽的MAX9632放大器驱动ADC输入

与SAR ADC相比，Δ-Σ ADC中的输入经过多倍过采样，所以对抗混叠滤波器的要求往往不严格，一般简单的RC滤波器就足够。图2所示的例子中使用MAX11270 24位、64ksps Σ-Δ ADC。图中包括惠斯顿电桥，差分输入之间使用10nF电容。 

图2  Σ-Δ ADC （MAX11270）输入滤波器例子，只要求简单的外部RC滤波器

流水线ADC——用于超快采样
我们在前面提到过流水线ADC对于高速采样率非常重要，例如射频应用和软件无线电。顶级的模拟器件公司早在10至15年之前已经在流水线ADC的研发领域投入重金，有些公司已经获利，但尚无人能够侵占主流IC制造商的地盘。流水线ADC最重要的两项指标是速度和功耗。这些ADC的采样率从大约10Msps到高达几个Gsps不等，用于软件无线电、雷达、通信、基站，以及其它需要超高采样率的应用。如果说闪电般的速度是流水线ADC的主要标准，那么ADC的接口则更为关键。

流水线ADC领域的下一场战役很可能围绕ADC和处理器或FPGA之间的数字接口展开。并行数字接口已经成为历史，因为您能够在很短的时间周期内将转换器的大量数据位流化输出。串行LVDS接口曾经被广泛应用于具有大量通道以及50Msps至65Msps采样率已经足够的应用中，例如超声。

JESD204B串行接口
JESD204B串行接口是速率高达12.5Gbps的高速串行标准。得益于上述提及的模拟器件公司以及Xilinx、Altera、Freescale等数字器件公司，该接口在最近几年发展迅速。利用JESD204B接口，ADC制造商将其采样率一再提高，就像FPGA及处理器公司将其串行接收器速率不断提高一样，例如串行器/解串器（或SerDes）。

越来越快的数据率使得人们能够利用较短时间内以及较少PCB连接获得更多的数据。以具有许多并行ADC的多通道应用为例，ADC和FPGA/处理器之间的连接线就像老鼠窝；而利用JESD204B串行接口，大大减少了数据线数量，节省大量电路板空间。图3中只使用了一对串行输出线和同步输入，大大减少了ADC及FPGA/处理器要求的输入/输出（IO）引脚数量。

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

流水线ADC功耗的关键问题
现在，越来越多的ADC能够封装在紧凑的空间内，功耗问题变得更为严峻。这正是领先的ADC制造商始终努力降低功耗的原因。功耗在很大程度上依赖于位数、速率以及交流指标，例如信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）。好的规则是1mW每1Msps。如果您的ADC接近该数值，则说明您有一个良好的开端。

优化用于微控制器、FPGA、处理器和SoC的ADC
在过去几年中，将最佳性能的ADC嵌入到微控制器中并不是一项简单的任务。集成到微控制器中的ADC通常不具备最佳品质。传统上，如果将12位ADC嵌入到微控制器，在有效位数（ENOB）或线性度方面，其性能很可能相当于8位ADC。类似地，16位ADC可能更像12位ADC。为确保ADC具备满足应用的足够性能，用户不得不仔细审查数据资料中的技术指标，然后确定哪款有保证。其中仅给出不完整条件下的ADC典型指标或最小和最大指标的情况并不鲜见。

最近，积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）、增益误差和ENOB等ADC性能指标已经大大改善，部分微控制器已经可以提供高品质ADC读数。毫无意外地，集成ADC的微控制器数量也大幅增长。

现在，如果应用需要12位或更少位数、仅仅少量通道，那么微控制器的ADC——通常为SAR或Δ-Σ——很可能是最为高成效的方案。微控制器ADC就足够的例子包括辅助功能应用，例如电源监测，或者精度要求不太高的温度检测，例如测量二极管。

FPGA、处理器和SoC中的ADC
FPGA制造商也已经开始在其系统中集成ADC。例如，Xilinx在其所有28nm（7系列） FPGA和Zynq SoC中提供12位、1Msps ADC。也有各种各样的处理器和SoC集成了ADC。集成ADC时，常见的指标是10或12位，速率高达1Msps。

ADC在FPGA、处理器或SoC中的位置非常关键。可编程逻辑控制器（PLC）等许多处理器系统具有分离的模拟板和数字板。将ADC集成到哪块电路板上是个问题。CPU模块通常载有FPGA或SoC，但模拟输入信号可能位于完全分离的板卡上，通过高速数字背板将两者连接在一起。您不能将敏感的模拟信号布在此类连接附近，所以这种情况下将ADC集成到FPGA、处理器、SoC（或微控制器）中无济于事。此时一定想要非常好的分立式24位Σ-Δ ADC，就像PLC应用中常见的那样。

仍然以PLC为例，隔离是需要考虑的另一因素。绝大部分PLC模拟输入包括一定形式的隔离，通常为数字式。许多模拟输入模块将集成低成本微控制器（不足2美元至3美元），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。如果隔离处于处理器（或微控制器）与背板之间，那么就可以选择集成到微控制器的ADC；如果需要将微控制器与高压输入信号隔离，那么分立式ADC和数字隔离器就是最佳方案。

何为最佳选择？
我们在上文中介绍了多种ADC选项，那么最初的问题如何呢：速度、功耗以及所测信号的精度有多重要？

如果只需要简单的低分辨率读数用于辅助功能，那么微控制器、FPGA、处理器或SoC中集成的ADC可能就能够胜任；如果应用的速度较低（接近直流），例如缓变温度信号，那么Σ-Δ很可能是最佳选择；如果信号速度较快，例如对转速超过1000转每分钟的电机嗡嗡声进行振动分析，SAR ADC可能是最佳选择；如果应用必须测量世界上最快的模拟信号，那么最好选择流水线ADC。

所有这一切都要“视情况而定”。没有工程师喜欢听到这句话。如果您是一位数字设计师或电源专家，负责挑选一款正确的ADC，您会喜欢更直接的指导。但ADC往往比较复杂，需要对数据资料和评估板（EV）进行深入研究才能确定具有细微差别的IC。表1中汇总了当今市场上ADC的典型最小和最大技术指标。随着模拟器件公司的不断创新，速度会越来越快、功耗越来越低，价格可能会越来越低。

表1  典型的ADC指标范围