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在电子系统设计中，模数转换器(ADC)是信号链设计中最重要的电子器件，属于模拟芯片中难度较高的一部分， ADC也被称为模拟电路皇冠上的掌上明珠。ADC 主要用于将真实世界产生的模拟信号(如温度、压力、声音、指纹或者图像等)转换成更容易处理的数字形式，是真实世界通往数字世界的桥梁，在工业、汽车、通讯、消费电子等领域有着非常广泛的应用。
根据Statistica数据，2021年全球ADC芯片的市场规模约为27.5 亿美元，2027年全球ADC芯片的市场规模将达到约40.9 亿美元。ADC 芯片的主要下游需求为通信设备领域、汽车电子、工业、消费电子。随着5G、人工智能、物联网、汽车电子等新兴领域所需的产品或技术对信号处理的需求(包括速度、精度、噪音等)增长迅速，市场对高精度ADC的需求将迎来迭代更新。
一款优秀的ADC芯片体现在高精度、低功耗、高转换率等指标上，这些指标又直接与产品内部的IP设计(参考源、PGA、调制解调器、接口、时钟、传感器等)以及系统架构和生产工艺息息相关。区别于模拟芯片，ADC属于数模混合芯片，其设计复杂程度更高，产品的研发过程需要资深的模拟设计、数字设计、数字验证、DFT、数字模拟后端以及测试架构、量产等多种类型人力资源的投入，对于尚不具备成建制开发团队的中小芯片设计公司而言， 进军ADC芯片无疑是巨大的挑战。由于ADC产品的技术壁垒高、开发难度大，ADC市场长期以来主要被欧美公司所把持，在国内中高端市场中占有相当高的比重，尤其是在高精度、高采样率ADC 领域基本无人撼动。但近年来国产化替代的大趋势下，国产ADC芯片的市占率也在逐步提升。在中高端ADC领域，逐渐开始有国内半导体公司涉足。类比半导体拥有一批来自于国际顶尖半导体公司的工程师精英，公司自创建以来一直致力于高端信号链产品的开发，并量产了多款面向工业、通讯、医疗、汽车等市场的高品质芯片，填补了多项中高端信号链芯片在国内的空白。公司拥有模拟前端(AFE)、数据转换器(ADC/DAC)、线性产品(运放、比较器、参考等)、电源管理、电池管理以及MCU等六大产品线，已量产芯片产品超过330颗，其中ADC系列产品覆盖16bits ~32bits 超高精度，广泛应用在新能源、汽车、传感器、医疗、测试仪等领域。根据不同的应用场景，目前市面上的ADC产品主要有五种不同的设计架构：包括有Σ-Δ型、SAR逐次逼近型、Pipelined流水线型、Folding以及Flash & Half-Flash。其中，Σ-Δ型的采样分辨率可高达32bits，主要应用于高精度数据采集，特别是传感器、地震勘探仪、音频系统、电子测量等领域。以下通过三种典型的应用场景来展示Σ-Δ ADC 的主要作用。
01储能系统电信号检测
当今储能行业无疑是全球增长势头最强的行业之一，无论是工业大储能、电站储能、户用储能和汽车锂电都呈现井喷式的增长。在典型的BMS系统中包含CSU(电芯监控)/BMU(电池管理)和BJB(接线盒)等单元，除了电芯电压监控以外，在整个电池包系统里，需要检测电池包电压和电流/绝缘电阻、接触器端电压、继电器粘连检测、充电检测等多个电信号检测来实现整个锂电池管理过程中的状态监控、故障诊断和充放电管理。在储能系统里，Σ-Δ ADC扮演着重要角色。以绝缘电阻检测为例，在汽车系统中，乘客与车身地直接接触，而车身地与高压电池组的回路是隔离的，这样可以为了防止人员触电。但是电动车在使用过程中，会出现诸如碰撞、零部件老化等情况，使整车高压电池系统与车身地之间的绝缘出现异常形成漏电回路，如果被人接触到会危害人的生命安全，情况严重时漏电回路产生的热积累效应将造成车辆燃烧起火，所以动力电池的绝缘电阻检测非常重要。Σ-Δ ADC通过K1、K2、K3开关的切换，实现对电池组总压和分压电阻R2和R4上的电压量测，从而计算出Pack+对地电阻Rx 和Pack-对地电阻Ry，如下图。
其次，Σ-Δ ADC可用于继电器的粘连检测。继电器是控制电动汽车高压电源通断的核心部件，需要保证继电器的正常工作，才能保证整车的安全运行。实际使用过程中因控制时序不合理、铜排线束接触不良、继电器本身质量不过关等问题，导致继电器易出现粘连现象，直接导致整车高压电源不受控，对整车的安全使用产生极大危害。继电器的状态受BMS(电池管理系统)控制，因此BMS对继电器的控制和诊断显得尤为重要。Σ-Δ ADC的高分辨率和采样率可满足大部分电压电流的检测精度要求，实现对BMS系统里多个矢量点的检测。此外，在对于电压电流检测有较高精度要求的储能系统里，Σ-Δ ADC配合高精度检测电阻可以实现稳定的高精度电压电流测量。
02微弱信号的数据采集
在众多的测试测量中，工程师需要面对微弱信号的采集与分析，这些信号非常常见，例如小电流、生物化学反应、电磁场、光谱、辐射等自然界信号的微小变化。在检测微弱信号时，往往需要将其他形式的信号转化为电信号，尤其是电压信号需要用到精密的传感器，但由于微弱信号量级较低，且周围存在着噪声会对导致相对误差较大甚至被噪声淹没，另外器件本身的影响也不可忽略，例如传感器的温度漂移、零点漂移、放大器的漂移失调等。
在实际的电路测量中，微弱的直流信号更加容易受到直流或低频噪声的影响，因此直流微弱信号的检测更是十分困难。此外，微弱直流电压信号的检测还容易受到各种低频噪声的干扰，所以微弱直流电压信号的检测相比于交流信号难度更大。Σ-Δ ADC由Σ-Δ调制器和可编程数字滤波器组成，能够为设计人员提供低噪声测量，实现高精度、高效率的数据采集功能，因此常被用于微弱信号的数据采集系统中。
03地震、油气勘探等物探仪
在能源勘探和地震监测等领域，需要检测大动态范围的信号，32bits高精度ADC动态范围超过125dB，同时提供超低的失真 THD，使得测量更加准确能源勘探使用人工激发的地震，通过检波器将震动信号转换为电信号，信号从直流到1kHz，幅度从1uVrms 到数伏，ADC的噪声需要小于系统中噪声，最大量程范围要覆盖信号全范围，因此超过一百万倍的动态范围，有利于监测地震和回波反射。不同地质结构反射强度不同，准确测量低失真的反射信号是测定界面深度和形态的必要条件，是勘探含油气构造的主要方法，超低THD值为准确定位地质结构提供了有效的保障，使得测绘地层形态更加准确可信。
类比 16-32bits Σ-Δ ADC 产品详解
类比半导体基于SemiDig平台开发的Σ-Δ ADC模数转换芯片系列产品，覆盖了16bits~32bits分辨率，数据输出速率860SPS~128kSPS，目前已有60余款型号实现量产，包含低功耗、微噪声、高线性度、多通道等不同特色的产品，可广泛应用于不同精度的系统需求，满足目前市面上大部分高精度ADC的需求。
低功耗16bits~20bits多通道通用型Σ-Δ ADC产品，主要针对工业及汽车电子应用领域，满足不同通讯接口I2C、SPI、Daisy-Chain 应用，典型代表产品为ADX1xx系列，主要型号包括ADX111(I2C)和ADX112(SPI)。ADX11x系列主要应用于对直流或低速信号的高精度检测场合，可以实现电池的电压/电流检测、温度或压力信号的采集并应用在对功耗要求较高的手持类产品中，具有低功耗、高集成度、小体积、高精度、低成本等优势。
ADX1xx 系列产品内部集成了低温漂参考源、可编程增益放大器、数字比较器和时钟源，采用2.0V至5.5V的电压范围供电，数据输出速率可通过内部寄存器调节，内部的可调增益放大器可以接收从±256mV至±6.144V的模拟信号输入，其最小分辨7.8125uV，内部的多路选择器可以配置成接受2对差分或者4个单端模拟信号输入。在前述的储能系统中，ADX1xx系列产品所具有的16~20bits分辨率和最高7kSPS的数据输出速率，可以满足大部分电压电流的检测精度要求，支持两组差分输入或者四个单端输入来实现BMS系统里多个矢量点的检测，同时支持菊花链通讯，在需要多个ADC进行检测时可以大幅减少通讯走线。ADX1xx系列产品内置高精度PGA可以实现1.5LSB的最大偏移误差(Offset error)和0.1%的最大增益误差(Gain Error)，充分满足高压系统对电压电流检测较高的精度要求。此外，针对电池包的环境温度变化幅度较大的特点，ADX1xx系列产品可以达到0.002LSB/℃的偏移漂移(Offset Drift)和8ppm/摄氏度的增益漂移(Gain Drift)，配合高精度检测电阻则可以实现稳定高精度的电压电流测量。ADX112产品内部集成了高精度温度传感器，可以检测芯片附近的温度(例如shunt 电阻、触点开关)来做温度补偿或者过温报警功能，还可以配合热电偶来检测电芯温度。目前ADX1xx系列产品已经在储能、医疗、汽车、工业传感器领域客户中实现批量供货。
ADX5xx系列超低噪声、高精度24bits Σ-Δ ADC，支持2通道、4通道和8通道模拟输入，数据输出速率高达60kSPS，具有23位无噪声精度和3ppm的非线性度，广泛应用于工业控制、测试测量、医疗等领域，尤其适用于微弱信号的数据采集系统。
ADX5xx系列产品内置灵活的数字滤波器，不仅可以调整数据输出速率，而且具备工频50/60Hz抑制选项，能够适应工业现场等电磁复杂的环境，并提供准确可靠的测量。从系统组成上来看，其由四阶Σ-Δ调制器和可编程数字滤波器组成，数据输出速率达到60kSPS。在应用该模数转换器的过程中，其配置8路单端输入或四路差动输入，可以快速对多通道信号进行轮巡扫描。
ADX82x系列 32bits Σ-Δ ADC是类比半导体超高精度、超高分辨率ADC产品的代表之作。该系列产品拥有极低的噪声和失真，动态范围达到130dB @PGA=1,250SPS, 谐波失真可以达到-135dB @250SPS，同时拥有出色的线性度表现。该产品内部集成双通道多路复用器，可用于地震检波器的信号测量和自检信号的输入;高性能数字滤波器提供灵活的配置，数据速率250SPS~4kSPS，片上内置缓存器，支持菊花链模式。此外，ADX82x增加了健康状态自检、数据传输CRC校验、数字I/O短路保护、芯片偏移和增益快速校准以及超量程快速报警等功能，以此来增强产品的可靠性。
ADX82x 系列产品包含低功耗版本ADX820、高性能版本的ADX829 和均衡版本ADX824 ，来满足不同客户的系统需求。目前，该系列产品已量产供货。除上述三个系列Σ-Δ ADC产品外，类比半导体还推出了ADX32x系列同步采样24bitsΣ-Δ ADC产品，支持2/4/6/8通道，数据输出速率为125SPS 到 16kSPS，可编程增益放大器为1/2/4/8/12/24。该系列产品在电池管理系统、数据采集系统、电池测试设备以及商业和住宅电表、储能系统等场景中有着非常广泛的应用。目前，ADX32x系列已批量出货，车规级双通道型号ADX320Q/ADX3202Q已经量产。此外，类比半导体多颗车规级Σ-Δ ADC也在陆续量产中，敬请期待。
审核编辑：汤梓红
工商网监
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