哪种A/D转换器适合我的应用

现在有很多不同的模数转换器 (A/D) 可用，您不必成为模拟信号链专家就可以选择一个。嗯……也许也许不是。你的选择是什么？

有独立的（或离散的）A/D，通常从 8 位到 24 位不等，甚至还有一些 32 位选项。A/D 也集成到微控制器、FPGA、微处理器或 SoC 中。有逐次逼近寄存器 (SAR) A/D 和 sigma-delta 版本。当需要最高采样率时使用流水线 A/D。一些 A/D 的采样速度约为 10 s/s，而一些则远高于 1 Gs/s。A/D 的价格从不到 1 美元到 265 美元不等，甚至更高。

速度、力量和准确性有多重要？为了帮助您为您的应用选择正确或最佳的 A/D，我们将仔细研究这些不同的类型并解释它们的最佳操作条件。

SAR A/D——用于中等速度和快照数据

SAR A/D 提供广泛的比特和速度。从 6 位或 8 位到多达 20 位，SAR A/D 通常在几 ks/s 到多达 10 Ms/s 之间运行。SAR A/D 是电机控制、振动分析和系统监控等中速应用的理想选择。这些不如流水线 A/D 快（下文讨论），但它们通常比 delta-sigma A/D 快（也将在下文讨论）。

SAR A/D 直接根据采样率调整功耗。例如，在 1 Msps 时耗散 5 mW 的芯片通常在 1 ksps 时仅耗散 5 µW。因此，SAR A/D 非常灵活，客户可以为多种应用存储一个零件编号。

SAR A/D 还有另一个优势：它们对模拟输入信号进行“快照”。SAR 架构只对一个时刻进行采样。设计师什么时候会想要这个？当您需要同时测量多个信号时，您可以使用多个单个 SAR A/D 进行同时采样，或者使用带有多个 A/D 或内部多个跟踪保持 (T/H) 内核的同时采样 A/D它。这允许系统同时测量多个模拟输入。

电流和电压互感器将 SAR ADC 用于保护继电器应用。在这里，客户同时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。有了精确的快照数据，公用事业公司就可以准确地知道电线上的情况以及如何最有效地管理电网。

Sigma-Delta A/D——更高的准确度

当您需要更多采样位的精度或确实需要最高有效位数 (ENOB) 时，sigma-delta A/D 通常是最佳选择，尤其是对于低噪声精度应用。当速度不那么重要时，sigma-delta A/D 的过采样和噪声整形可提供非常高的精度。

随着 SAR A/D 市场在 5 到 10 年前开始趋于饱和，许多模拟公司投资于多个 sigma-delta 内核。今天的结果是非常好的高达 24 或 32 位的 A/D，采样率在 10 s/s 到几 Ms/s 之间。

哪些应用可能需要 > 20 位的无噪声分辨率？仪表装置和气相色谱仪或石油和天然气行业是典型的应用示例，它们通常需要尽可能多的位精度。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正在流动。

调制器与否？

最近，sigma-delta A/D 在速度和采样率方面变得更加难以分类。传统的 sigma delta 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 A/D，则数据输出包括 24 位。第一位输出是最高有效位 (MSB)，第 24位 是最低位。您的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 A/D。

然而，在过去的 5 到 10 年中，sigma-delta 调制器变得越来越流行，特别是在需要大量速度（通常约为 1 Ms/s 或更高）的应用中。sigma-delta 调制器不是等到完整的 24 位输出被抽取，而是一次一位地输出数据，然后将数字滤波留给处理器或 FPGA 进行分析。

这种调制器的灵活性对于电机控制等应用很有帮助，其中 12 到 16 位可能就足够了。如果前 16 位提供足够量的模拟测量，则电机控制器可能不需要或不想等待 24 位数据流中的最后 8 个 LSB。

选择 SAR 与 sigma delta - 决定因素是速度

输入过滤器是另一个重要的考虑因素。回想一下 SAR 架构拍摄高速快照。当应用程序推动更高的采样率时，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器并在短时间内稳定下来，并且放大器必须具有足够的带宽。图 1 显示了使用 16 位、500 ks/s MAX11166 SAR A/D 的示例。位数越高，采样率越快，输入必须稳定并获得正确输入读数的时间常数就越短。

在图 1 中，使用了具有 55 MHz 增益带宽的 MAX9632 放大器，其后接一个简单的 RC 滤波器。这种特殊的放大器提供 < 1nV/root-Hz 的噪声，因此可以从系统中获得每十分之一 dB 的 ENOB。

图 1：SAR A/D 转换器输入滤波器示例显示了具有 55 MHz 增益带宽的 MAX9632 放大器驱动输入。

与 SAR A/D 相比，delta-sigma 中的输入被过采样多次，以至于抗混叠滤波器的要求没有那么严格。通常，一个简单的 RC 滤波器就足够了。图 2 是 MAX11270 24 位、64 ksps Σ-Δ A/D 示例。这里显示了一个惠斯通电桥示例，差分输入端有一个 10 nF 电容器。  

图 2. Sigma-delta ADC (MAX11270) 输入滤波器示例只需要一个简单的外部 RC 滤波器。

流水线 A/D——用于超快速采样

在介绍中，我们提到了流水线 A/D 对于最高采样率（如射频应用和软件定义无线电）的重要性。在过去的 10 年里，顶级模拟公司一直在大力投资研发流水线 A/D。

当然，流水线 A/D 的前两个品质因数是速度和功率。采样率在大约 10 Ms/s 到几 Gs/s 之间，这些设备的接口变得非常关键。流水线 A/D 的下一个大战场很可能是基于它们的数字输出。并行数字接口一直是首选接口。串行 LVDS 接口已用于具有大量通道且采样率在 50 到 65 Ms/s 之间的应用中，例如超声，历来就足够了。但是，有新的接口。

JESD204B 串行接口

JESD204B 串行接口是一种高达 12.5 Gbits/s 的高速串行标准。这种接口是近年来出现的，它使 A/D 制造商的采样率越来越高，FPGA 和处理器公司的串行收发器（或 SerDes）也是如此。

在具有许多并行 A/D 的多通道应用中，A/D 和 FPGA/处理器之间的老鼠窝布线是一件很麻烦的事。使用 JESD204B 串行接口，数据线的数量显着减少，电路板空间得以保留。图 3显示了该接口的单个​​串行输出对和一个同步输入，这大大减少了所需的 I/O 引脚数量。

* 调制器输出速度

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

请注意，近年来有关 JESD204B 的文章很多，更深入的细节最好在此处找到。

流水线 A/D 的关键功耗问题

现在，更多的 A/D 可以封装在狭小的空间中，功耗就变得更加重要，领先的 A/D 制造商一直在努力降低功耗。一个好的规则是每 1 Ms/s 1 mW。如果您的 A/D 接近这一点，那么您有一个很好的起点。

针对 MCU、FPGA、CPU 和 SoC 优化的 A/D

集成到微控制器中的 A/D 通常不是最高质量的。从历史上看，当 12 位 A/C 嵌入到微控制器中时，就有效位数 (ENOB) 或线性而言，它更有可能像 8 位 A/C 一样执行。为了确保足够的 A/D 性能，用户必须仔细查看规格并确定哪些是有保证的。仅看到典型规格或列出的条件不完整的最小和最大规格并不少见。

最近，积分非线性 (INL)、微分非线性 (DNL)、增益误差和 ENOB 等 A/D 性能已经提高到足以在 MCU 中实现质量性能，并且集成 A/D 的微控制器数量大幅增长。如今，如果应用需要 12 位或更少且只有几个通道，MCU 可能是最具成本效益的解决方案。

FPGA 制造商也开始将 A/D 集成到他们的系统中。例如，Xilinx 在其所有 7 系列 FPGA 和 Zynq SoC 中提供 12 位、1 Ms/s A/D。MCU 或 SoC 在电路板上的位置至关重要。带有 FPGA 或 SoC 的 CPU 模块可能与模拟输入信号相距甚远——模拟输入信号可能位于完全独立的卡上，高速数字背板将两者连接起来。您不想通过这样的连接路由敏感模拟，因此在这种情况下集成 A/D 可能不是一个好主意。这就是您肯定想要一个好的离散 A/D 的地方，其中 24 位 sigma-delta A/D 是可编程逻辑控制器 (PLC) 等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，通常是数字的。许多模拟输入模块将集成低成本的微控制器以实现快速响应和快速中断。现在，隔离的位置决定了内部 A/D 是否可行。如果隔离位于处理器（或 MCU）和背板之间，那么集成到微控制器中的 A/D 就是您的朋友。如果 MCU 需要与高压输入信号隔离，那么分立 A/D 和数字隔离器是最佳解决方案。

你最好的选择是什么？

我们已经讨论了今天可用的几种 A/D 选项，那么最初的问题呢：您正在测量的信号的速度、功率和精度有多重要？

如果您只需要一个简单的低分辨率读数来执行管理功能，MCU、FPGA、处理器或 SoC 中的集成 A/D 可能就可以完成这项工作。如果您的应用是低速（接近直流），例如缓慢移动的温度信号，那么 sigma-delta A/D 可能是最好的。如果您有一个相当快的信号，例如以 1,000 RPM 嗡嗡作响的电机的振动分析，那么 SAR A/D 可能是最好的。如果应用程序必须测量世界上最快的模拟信号，那么流水线 A/D 是最佳选择。

所有这一切的共同主题是“视情况而定”。没有工程师喜欢听到这个。如果您是负责挑选正确 A/D 的数字设计师或电源专家，您更喜欢更明确的说明。但 A/D 通常是复杂、细致入微的 IC，需要研究数据表和评估套件。表 1 总结了当今市场上 A/D 的典型最小和最大规格。可以肯定的是，这是一个不断变化的格局。明年我们将在这里改变什么？

表 1：典型 A/C 转换器规格范围

A/D 架构/规格	采样率/速度	分辨率/位	价格	力量
特区	直流至 10 毫秒/秒	8 到 20	低到中	最低每 ks/s
西格玛三角洲	直流至 20 毫秒/秒*	16 至 32	低到中	低到中
管道	10 毫秒/秒至 5 克/秒	8 至 16	最高	最高
集成在 MCU/FPGA/SoC 中	直流至 1 毫秒/秒	8 至 16	最低	低到中

　　审核编辑：汤梓红