目前有许多不同的模数转换器可供选择,包括分立式ADC和集成到数字IC中的ADC,如微控制器、处理器和FPGA。哪种ADC最适合您的应用?您是否需要最高精度、简单的内务检查或介于两者之间?什么采样率就足够了。此应用程序会记录所有这些内容。它还重点介绍了最新的先进SAR、三角积分、流水线和集成ADC。
您正在测量的信号的速度、功率和准确性有多重要?你有什么选择?有这么多不同的模数转换器(ADC),您如何选择一种?
有独立(或分立)ADC,典型范围为8位至24位,甚至有些具有32位选项。ADC 内核还集成到微控制器、FPGA、处理器或完整的片上系统 (SoC) 中。有逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 和 Σ-Δ 版本。1当需要最高采样速率速度时,使用流水线ADC。一些ADC的采样频率低至每秒约10个样本,有些则远高于1Gsps.ADC的价格从<1美元到265美元或更高不等。2流水线ADC的1,000件清单中的一些在很大程度上远低于公布的“1k”价格。
为了帮助您为您的应用选择正确或最佳的ADC,我们将仔细研究这些不同类型的ADC,并解释它们的最佳工作条件。
SAR ADC – 用于中端速度和快照数据
SAR ADC提供广泛的位和采样速率或速度。SAR ADC 的工作范围从 6 位或 8 位到高达 20 位,工作频率通常在每秒几千采样 (ksps) 到每秒 10 兆采样 (Msps) 之间。SAR ADC 是电机控制、振动分析和系统监控等中档应用的理想选择。它们不如流水线ADC快,但通常比Δ-Σ型ADC更快(下面还将讨论两者的用途)。
客户什么时候会想要这个?当 需要 同时 测量 多个 信号 时, 可以 同时 使用 多个 单 SAR ADC 进行 采样, 或者 使用 具有 多个 ADC 或 多个 采样 (T/H) 内核 的 同时 采样 ADC。这允许系统在同一时刻测量多个模拟输入。3, 4
SAR ADC随采样速率线性调节功耗。例如,在1Msps时功耗为5mW的SAR ADC在1ksps时通常仅消耗5μW。因此,SAR ADC非常灵活,客户可以为多种应用储备一个零件号。
SAR ADC还有另一个优点:它们拍摄模拟输入信号的“快照”。SAR 架构仅在一个时刻采样(即“抓取”)。(稍后,我们将解释此快照与对模拟输入进行多次采样的Δ-Σ型ADC有何不同。
电流和电压互感器使用 SAR ADC 进行继电保护应用。在这里,客户在同一时刻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。通过精确的快照数据,公用事业公司可以确切地知道电线下有什么,以及如何最有效地管理电网。
Σ-Δ型ADC——通过更多位实现更高的精度
当您希望从更多采样位获得精度或确实需要最高有效位数(ENOB)时,Σ-Δ型ADC通常是最佳选择,特别是对于低噪声精密应用。当速度不那么重要时,Σ-Δ ADC的过采样和噪声整形可提供非常高的精度。
哪些应用可能需要> 20 位无噪声分辨率?仪表单元和气相色谱仪或石油和天然气行业是示例应用,通常希望(甚至要求)从尽可能多的位获得精度。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在流动。
随着SAR ADC市场在5到10年前开始饱和,Maxim Integrated、ADI公司、德州仪器和凌力尔特等公司都投资了多个Σ-Δ内核。目前的结果是非常好的ADC,最高可达24位或32位,采样速率在10sps到几Msps之间。
调制器与否?
Σ-Δ型ADC在速度和采样速率方面变得越来越难以分类。
传统的Σ-Δ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 ADC,则数据输出包括 24 位。第一个位输出是最有效位(MSB)和24千位是最低有效位 (LSB)。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ADC。
然而,在过去的5到10年中,Σ-Δ调制器变得越来越流行,特别是在需要良好速度(通常约为1Msps或更高)的应用中。Σ-Δ调制器不会等到全24位输出被抽取,而是一次流出一位数据,并将数字滤波留给处理器或FPGA进行分析。
这种调制器灵活性对于电机控制等应用很有帮助,在这些应用中,12至16位是不够的。在这里,如果24位数据流中的最后8个LSB提供足够的模拟测量,则电机控制器可能不需要或想要等待最后8个LSB。
近年来,Σ-Δ调制器已达到16位和20Msps。
选择 SAR 与 Sigma Delta——决定因素是速度
输入滤波器是为您的应用选择合适的ADC时的另一个重要考虑因素。回想一下,SAR 架构采用高速快照。当应用推送到更高的采样速率(100ksps及以上)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并在短时间内建立。这意味着放大器必须有足够的带宽。图1所示为采用16位、500ksps MAX11166 SAR ADC的示例。位越高,采样速率越快,输入必须建立正确的输入读数的时间常数就越短。
图1采用增益带宽为55MHz的MAX9632放大器,后接一个简单的RC滤波器。该放大器提供< 1nV/根 Hz 噪声,因此可以从系统获得十分之一 dB 的 ENOB。
图1.SAR ADC (MAX11166/MAX11167)输入滤波器示例显示MAX9632放大器,增益带宽为55MHz,驱动ADC输入。
与SAR ADC相比,Δ-Σ型ADC中的输入被过采样很多次,因此抗混叠滤波器要求通常不那么严格。通常,一个简单的RC滤波器就足够了。图2是MAX11270 24位、64kspsΣ-Δ型ADC的示例。这里以惠斯通电桥为例,差分输入之间有一个10nF电容。
图2.Σ-Δ型ADC (MAX11270)输入滤波器示例需要一个简单的外部RC滤波器。
流水线 ADC——用于超快速采样
在介绍中,我们提到流水线ADC对于RF应用和软件定义无线电等最高采样速率非常重要。
在过去的10到15年里,顶级模拟公司一直在大量投资研发(R&D)到流水线ADC。ADI公司长期以来一直主导着这一市场,但德州仪器(TI)和凌力尔特(Linear Technology)近年来表现强劲。还有一些利基参与者,但没有一家在这三个IC制造商的进步中取得重大进展。流水线ADC的前两个品质因数是速度和功耗。这些 ADC 的采样速率介于大约 10Msps 至每秒几千兆采样 (Gsps) 之间,适用于软件定义无线电、雷达、通信、基站等需要超快速采样的应用。如果超快的速度是流水线ADC的主要标准,那么ADC的接口就变得更加重要。
流水线ADC的下一个大战场很可能基于ADC和处理器或FPGA之间的数字接口。并行数字接口一直是首选的接口,因为您可以在短时间内流式传输大量转换器位。串行LVDS接口已应用于超声等具有大量通道的应用,并且采样速率在50Msps和65Msps之间历来就足够了。
JESD204B 串行接口
JESD204B串行接口是一种高达12.5Gbps的高速串行标准。由于上述模拟公司和数字公司(如Xilinx,Altera,Freescale等),该接口近年来出现。使用JESD204B接口,ADC制造商将其采样速率推得越来越高,FPGA和处理器公司的串行收发器(也称为串行器/解串器(或SerDes))也是如此。
这些更快的数据速率使得在更短的时间内以更少的PCB连接获得更多数据成为可能。考虑一个多通道应用,其中许多ADC并行,即ADC和FPGA/处理器之间的布线。使用JESD204B串行接口,数据线数量大大减少,并保留电路板空间。图3显示了如何仅使用单个串行输出对和同步输入,从而大大减少了ADC和FPGA/处理器所需的输入/输出(IO)引脚数量。
图3.JESD204B串行接口大大减少了ADC和FPGA/处理器之间的数据线数量。5
请注意,近年来关于JESD204B的文章很多,更深入的细节可以在其他文章中找到。
使用流水线ADC的电源的关键问题
现在,更多的ADC可以封装在狭小的空间内,功耗变得更加成问题。这就是为什么领先的ADC制造商一直在努力降低功耗的原因。功耗在很大程度上取决于位、速度和交流规格,如信噪比 (SNR) 和无杂散动态范围 (SFDR)。一个好的规则是每1Msps1mW。如果您的ADC接近该值,那么您就有一个良好的起点。
针对微控制器、FPGA、处理器和 SoC 优化的 ADC
微控制器中的ADC
在过去的几年里,选择最好的ADC嵌入微控制器并不是一项简单的任务。集成到微型中的ADC通常不是最高质量的。从历史上看,当12位ADC嵌入微处理器时,就有效位数(ENOB)或线性度而言,它更有可能像8位ADC一样运行。同样,16位ADC的工作方式可能更像12位ADC。为了确保ADC应用具有足够的性能,用户必须仔细查看数据手册中的规格,然后确定哪些规格是有保证的。仅列出ADC典型规格或条件不完整的最小和最大规格的情况并不少见。
最近,积分非线性(INL)、差分非线性(DNL)、增益误差和ENOB等ADC性能已经得到充分改善,可以为某些微器件提供高质量的ADC读数。毫不奇怪,集成ADC的微型器件数量大幅增长。
如今,如果应用需要12位或更少,并且只有几个通道,那么微型ADC(通常是SAR或Δ-Σ)可能是最具成本效益的解决方案。微型ADC可能足够的例子包括内务管理应用(如监控电源)或精度较低的温度检测(如测量二极管)。
FPGA、处理器和 SoC 中的 ADC
FPGA制造商也开始将ADC集成到其系统中。例如,Xilinx 在其所有 28 纳米(7 系列)FPGA 和 ZynqSoC 中提供 12 位、1Msps ADC。还有各种各样的处理器和 SoC 集成了 ADC。10位或12位以及高达1Msps是包含ADC的常见规格。®
ADC 在 FPGA、 处理器 或 SoC 中的 板 位 是 一个 关键 的 决定。许多处理器系统(如可编程逻辑控制器 (PLC))具有单独的模拟板和数字板。将ADC定位在特定电路板上可能会成为一个问题。CPU模块通常容纳FPGA或SoC,但模拟输入信号可以放在一个完全独立的卡上,高速数字背板连接两者。您不会通过这样的连接路由敏感的模拟,因此在这种情况下,在FPGA、处理器、SoC(或微型)中集成ADC是没有帮助的。这就是您绝对需要一款优秀的分立式ADC的地方,其中24位Σ-Δ型ADC是PLC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,通常是数字隔离。许多模拟输入模块集成了低成本的微型(<2美元至3美元,美国),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。如果隔离位于处理器(或微型)和背板之间,则集成到微型中的ADC是您的朋友。如果需要将微器件与高压输入信号隔离,则分立式ADC和数字隔离器是最佳解决方案。
你最好的选择是什么?
在回顾了几个ADC选项之后,我们回到了最初的问题:所测量信号的速度、功耗和精度有多重要,以及如何选择一个?
这要看情况。虽然负责选择正确ADC的数字设计人员和电源专家更喜欢更明确的指令,但ADC通常是复杂、细致入微的IC,需要研究数据手册和评估(EV)套件。
如果您有一个相当快的信号,例如电机以每分钟1,000转以上的速度嗡嗡作响的振动分析,那么SAR ADC可能是最好的。
如果您的应用是低速(接近直流),如缓慢移动的温度信号,则Σ-Δ型ADC可能是最好的选择。
如果唯一需要的是简单的低分辨率读取内务功能,则微型、FPGA、处理器或SoC中的集成ADC可能可以完成这项工作。
如果应用必须测量世界上最快的模拟信号,那么流水线ADC是最佳选择。
虽然模拟公司不断创新,但这些规格的速度更快,功耗更低,价格可能更低。表1总结了当今市场上ADC的典型最小和最大规格。
ADC 架构/规格 | 采样率/速度 | 分辨率/位 | 价格 | 权力 |
特区 | 直流至 10Msps | 8 到 20 | 低到中 | 每千秒最低 |
西格玛三角洲 | 直流至 20Msps* | 16 到 32 | 低到中 | 低到中 |
管道 | 10毫秒至5G SPS | 8 到 16 | 最高 | 最高 |
集成在 μC/ 处理器/FPGA/SoC 中 | 直流至 1Msps | 8 到 16 | 最低 | 低到中 |
* 调制器输出速度 |
审核编辑:郭婷
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