在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中最重要的電子器件，屬于模擬芯片中難度較高的一部分， ADC也被稱為模擬電路皇冠上的掌上明珠。ADC 主要用于將真實(shí)世界產(chǎn)生的模擬信號(hào)(如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等)轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式，是真實(shí)世界通往數(shù)字世界的橋梁，在工業(yè)、汽車、通訊、消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)Statistica數(shù)據(jù)，2021年全球ADC芯片的市場(chǎng)規(guī)模約為27.5 億美元，2027年全球ADC芯片的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約40.9 億美元。ADC 芯片的主要下游需求為通信設(shè)備領(lǐng)域、汽車電子、工業(yè)、消費(fèi)電子。隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興領(lǐng)域所需的產(chǎn)品或技術(shù)對(duì)信號(hào)處理的需求(包括速度、精度、噪音等)增長(zhǎng)迅速，市場(chǎng)對(duì)高精度ADC的需求將迎來迭代更新。

一款優(yōu)秀的ADC芯片體現(xiàn)在高精度、低功耗、高轉(zhuǎn)換率等指標(biāo)上，這些指標(biāo)又直接與產(chǎn)品內(nèi)部的IP設(shè)計(jì)(參考源、PGA、調(diào)制解調(diào)器、接口、時(shí)鐘、傳感器等)以及系統(tǒng)架構(gòu)和生產(chǎn)工藝息息相關(guān)。區(qū)別于模擬芯片，ADC屬于數(shù)模混合芯片，其設(shè)計(jì)復(fù)雜程度更高，產(chǎn)品的研發(fā)過程需要資深的模擬設(shè)計(jì)、數(shù)字設(shè)計(jì)、數(shù)字驗(yàn)證、DFT、數(shù)字模擬后端以及測(cè)試架構(gòu)、量產(chǎn)等多種類型人力資源的投入，對(duì)于尚不具備成建制開發(fā)團(tuán)隊(duì)的中小芯片設(shè)計(jì)公司而言， 進(jìn)軍ADC芯片無疑是巨大的挑戰(zhàn)。由于ADC產(chǎn)品的技術(shù)壁壘高、開發(fā)難度大，ADC市場(chǎng)長(zhǎng)期以來主要被歐美公司所把持，在國(guó)內(nèi)中高端市場(chǎng)中占有相當(dāng)高的比重，尤其是在高精度、高采樣率ADC 領(lǐng)域基本無人撼動(dòng)。但近年來國(guó)產(chǎn)化替代的大趨勢(shì)下，國(guó)產(chǎn)ADC芯片的市占率也在逐步提升。在中高端ADC領(lǐng)域，逐漸開始有國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體公司涉足。類比半導(dǎo)體擁有一批來自于國(guó)際頂尖半導(dǎo)體公司的工程師精英，公司自創(chuàng)建以來一直致力于高端信號(hào)鏈產(chǎn)品的開發(fā)，并量產(chǎn)了多款面向工業(yè)、通訊、醫(yī)療、汽車等市場(chǎng)的高品質(zhì)芯片，填補(bǔ)了多項(xiàng)中高端信號(hào)鏈芯片在國(guó)內(nèi)的空白。公司擁有模擬前端(AFE)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)、線性產(chǎn)品(運(yùn)放、比較器、參考等)、電源管理、電池管理以及MCU等六大產(chǎn)品線，已量產(chǎn)芯片產(chǎn)品超過330顆，其中ADC系列產(chǎn)品覆蓋16bits ~32bits 超高精度，廣泛應(yīng)用在新能源、汽車、傳感器、醫(yī)療、測(cè)試儀等領(lǐng)域。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，目前市面上的ADC產(chǎn)品主要有五種不同的設(shè)計(jì)架構(gòu)：包括有Σ-Δ型、SAR逐次逼近型、Pipelined流水線型、Folding以及Flash & Half-Flash。其中，Σ-Δ型的采樣分辨率可高達(dá)32bits，主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集，特別是傳感器、地震勘探儀、音頻系統(tǒng)、電子測(cè)量等領(lǐng)域。以下通過三種典型的應(yīng)用場(chǎng)景來展示Σ-Δ ADC 的主要作用。

01儲(chǔ)能系統(tǒng)電信號(hào)檢測(cè)

當(dāng)今儲(chǔ)能行業(yè)無疑是全球增長(zhǎng)勢(shì)頭最強(qiáng)的行業(yè)之一，無論是工業(yè)大儲(chǔ)能、電站儲(chǔ)能、戶用儲(chǔ)能和汽車鋰電都呈現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)。在典型的BMS系統(tǒng)中包含CSU(電芯監(jiān)控)/BMU(電池管理)和BJB(接線盒)等單元，除了電芯電壓監(jiān)控以外，在整個(gè)電池包系統(tǒng)里，需要檢測(cè)電池包電壓和電流/絕緣電阻、接觸器端電壓、繼電器粘連檢測(cè)、充電檢測(cè)等多個(gè)電信號(hào)檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋰電池管理過程中的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和充放電管理。在儲(chǔ)能系統(tǒng)里，Σ-Δ ADC扮演著重要角色。以絕緣電阻檢測(cè)為例，在汽車系統(tǒng)中，乘客與車身地直接接觸，而車身地與高壓電池組的回路是隔離的，這樣可以為了防止人員觸電。但是電動(dòng)車在使用過程中，會(huì)出現(xiàn)諸如碰撞、零部件老化等情況，使整車高壓電池系統(tǒng)與車身地之間的絕緣出現(xiàn)異常形成漏電回路，如果被人接觸到會(huì)危害人的生命安全，情況嚴(yán)重時(shí)漏電回路產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)將造成車輛燃燒起火，所以動(dòng)力電池的絕緣電阻檢測(cè)非常重要。Σ-Δ ADC通過K1、K2、K3開關(guān)的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組總壓和分壓電阻R2和R4上的電壓量測(cè)，從而計(jì)算出Pack+對(duì)地電阻Rx 和Pack-對(duì)地電阻Ry，如下圖。

其次，Σ-Δ ADC可用于繼電器的粘連檢測(cè)。繼電器是控制電動(dòng)汽車高壓電源通斷的核心部件，需要保證繼電器的正常工作，才能保證整車的安全運(yùn)行。實(shí)際使用過程中因控制時(shí)序不合理、銅排線束接觸不良、繼電器本身質(zhì)量不過關(guān)等問題，導(dǎo)致繼電器易出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，直接導(dǎo)致整車高壓電源不受控，對(duì)整車的安全使用產(chǎn)生極大危害。繼電器的狀態(tài)受BMS(電池管理系統(tǒng))控制，因此BMS對(duì)繼電器的控制和診斷顯得尤為重要。Σ-Δ ADC的高分辨率和采樣率可滿足大部分電壓電流的檢測(cè)精度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS系統(tǒng)里多個(gè)矢量點(diǎn)的檢測(cè)。此外，在對(duì)于電壓電流檢測(cè)有較高精度要求的儲(chǔ)能系統(tǒng)里，Σ-Δ ADC配合高精度檢測(cè)電阻可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高精度電壓電流測(cè)量。

02微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集

在眾多的測(cè)試測(cè)量中，工程師需要面對(duì)微弱信號(hào)的采集與分析，這些信號(hào)非常常見，例如小電流、生物化學(xué)反應(yīng)、電磁場(chǎng)、光譜、輻射等自然界信號(hào)的微小變化。在檢測(cè)微弱信號(hào)時(shí)，往往需要將其他形式的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，尤其是電壓信號(hào)需要用到精密的傳感器，但由于微弱信號(hào)量級(jí)較低，且周圍存在著噪聲會(huì)對(duì)導(dǎo)致相對(duì)誤差較大甚至被噪聲淹沒，另外器件本身的影響也不可忽略，例如傳感器的溫度漂移、零點(diǎn)漂移、放大器的漂移失調(diào)等。

在實(shí)際的電路測(cè)量中，微弱的直流信號(hào)更加容易受到直流或低頻噪聲的影響，因此直流微弱信號(hào)的檢測(cè)更是十分困難。此外，微弱直流電壓信號(hào)的檢測(cè)還容易受到各種低頻噪聲的干擾，所以微弱直流電壓信號(hào)的檢測(cè)相比于交流信號(hào)難度更大。Σ-Δ ADC由Σ-Δ調(diào)制器和可編程數(shù)字濾波器組成，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供低噪聲測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的數(shù)據(jù)采集功能，因此常被用于微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

03地震、油氣勘探等物探儀

在能源勘探和地震監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，需要檢測(cè)大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)，32bits高精度ADC動(dòng)態(tài)范圍超過125dB，同時(shí)提供超低的失真 THD，使得測(cè)量更加準(zhǔn)確能源勘探使用人工激發(fā)的地震，通過檢波器將震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)從直流到1kHz，幅度從1uVrms 到數(shù)伏，ADC的噪聲需要小于系統(tǒng)中噪聲，最大量程范圍要覆蓋信號(hào)全范圍，因此超過一百萬倍的動(dòng)態(tài)范圍，有利于監(jiān)測(cè)地震和回波反射。不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射強(qiáng)度不同，準(zhǔn)確測(cè)量低失真的反射信號(hào)是測(cè)定界面深度和形態(tài)的必要條件，是勘探含油氣構(gòu)造的主要方法，超低THD值為準(zhǔn)確定位地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了有效的保障，使得測(cè)繪地層形態(tài)更加準(zhǔn)確可信。

類比 16-32bits Σ-Δ ADC 產(chǎn)品詳解

類比半導(dǎo)體基于SemiDig平臺(tái)開發(fā)的Σ-Δ ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片系列產(chǎn)品，覆蓋了16bits~32bits分辨率，數(shù)據(jù)輸出速率860SPS~128kSPS，目前已有60余款型號(hào)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，包含低功耗、微噪聲、高線性度、多通道等不同特色的產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于不同精度的系統(tǒng)需求，滿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產(chǎn)品，主要針對(duì)工業(yè)及汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，滿足不同通訊接口I2C、SPI、Daisy-Chain 應(yīng)用，典型代表產(chǎn)品為ADX1xx系列，主要型號(hào)包括ADX111(I2C)和ADX112(SPI)。ADX11x系列主要應(yīng)用于對(duì)直流或低速信號(hào)的高精度檢測(cè)場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)電池的電壓/電流檢測(cè)、溫度或壓力信號(hào)的采集并應(yīng)用在對(duì)功耗要求較高的手持類產(chǎn)品中，具有低功耗、高集成度、小體積、高精度、低成本等優(yōu)勢(shì)。

ADX1xx 系列產(chǎn)品內(nèi)部集成了低溫漂參考源、可編程增益放大器、數(shù)字比較器和時(shí)鐘源，采用2.0V至5.5V的電壓范圍供電，數(shù)據(jù)輸出速率可通過內(nèi)部寄存器調(diào)節(jié)，內(nèi)部的可調(diào)增益放大器可以接收從±256mV至±6.144V的模擬信號(hào)輸入，其最小分辨7.8125uV，內(nèi)部的多路選擇器可以配置成接受2對(duì)差分或者4個(gè)單端模擬信號(hào)輸入。在前述的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，ADX1xx系列產(chǎn)品所具有的16~20bits分辨率和最高7kSPS的數(shù)據(jù)輸出速率，可以滿足大部分電壓電流的檢測(cè)精度要求，支持兩組差分輸入或者四個(gè)單端輸入來實(shí)現(xiàn)BMS系統(tǒng)里多個(gè)矢量點(diǎn)的檢測(cè)，同時(shí)支持菊花鏈通訊，在需要多個(gè)ADC進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可以大幅減少通訊走線。ADX1xx系列產(chǎn)品內(nèi)置高精度PGA可以實(shí)現(xiàn)1.5LSB的最大偏移誤差(Offset error)和0.1%的最大增益誤差(Gain Error)，充分滿足高壓系統(tǒng)對(duì)電壓電流檢測(cè)較高的精度要求。此外，針對(duì)電池包的環(huán)境溫度變化幅度較大的特點(diǎn)，ADX1xx系列產(chǎn)品可以達(dá)到0.002LSB/℃的偏移漂移(Offset Drift)和8ppm/攝氏度的增益漂移(Gain Drift)，配合高精度檢測(cè)電阻則可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高精度的電壓電流測(cè)量。ADX112產(chǎn)品內(nèi)部集成了高精度溫度傳感器，可以檢測(cè)芯片附近的溫度(例如shunt 電阻、觸點(diǎn)開關(guān))來做溫度補(bǔ)償或者過溫報(bào)警功能，還可以配合熱電偶來檢測(cè)電芯溫度。目前ADX1xx系列產(chǎn)品已經(jīng)在儲(chǔ)能、醫(yī)療、汽車、工業(yè)傳感器領(lǐng)域客戶中實(shí)現(xiàn)批量供貨。

ADX5xx系列超低噪聲、高精度24bits Σ-Δ ADC，支持2通道、4通道和8通道模擬輸入，數(shù)據(jù)輸出速率高達(dá)60kSPS，具有23位無噪聲精度和3ppm的非線性度，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、測(cè)試測(cè)量、醫(yī)療等領(lǐng)域，尤其適用于微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

ADX5xx系列產(chǎn)品內(nèi)置靈活的數(shù)字濾波器，不僅可以調(diào)整數(shù)據(jù)輸出速率，而且具備工頻50/60Hz抑制選項(xiàng)，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等電磁復(fù)雜的環(huán)境，并提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量。從系統(tǒng)組成上來看，其由四階Σ-Δ調(diào)制器和可編程數(shù)字濾波器組成，數(shù)據(jù)輸出速率達(dá)到60kSPS。在應(yīng)用該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的過程中，其配置8路單端輸入或四路差動(dòng)輸入，可以快速對(duì)多通道信號(hào)進(jìn)行輪巡掃描。

ADX82x系列 32bits Σ-Δ ADC是類比半導(dǎo)體超高精度、超高分辨率ADC產(chǎn)品的代表之作。該系列產(chǎn)品擁有極低的噪聲和失真，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到130dB @PGA=1,250SPS, 諧波失真可以達(dá)到-135dB @250SPS，同時(shí)擁有出色的線性度表現(xiàn)。該產(chǎn)品內(nèi)部集成雙通道多路復(fù)用器，可用于地震檢波器的信號(hào)測(cè)量和自檢信號(hào)的輸入;高性能數(shù)字濾波器提供靈活的配置，數(shù)據(jù)速率250SPS~4kSPS，片上內(nèi)置緩存器，支持菊花鏈模式。此外，ADX82x增加了健康狀態(tài)自檢、數(shù)據(jù)傳輸CRC校驗(yàn)、數(shù)字I/O短路保護(hù)、芯片偏移和增益快速校準(zhǔn)以及超量程快速報(bào)警等功能，以此來增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性。

ADX82x 系列產(chǎn)品包含低功耗版本ADX820、高性能版本的ADX829 和均衡版本ADX824 ，來滿足不同客戶的系統(tǒng)需求。目前，該系列產(chǎn)品已量產(chǎn)供貨。除上述三個(gè)系列Σ-Δ ADC產(chǎn)品外，類比半導(dǎo)體還推出了ADX32x系列同步采樣24bitsΣ-Δ ADC產(chǎn)品，支持2/4/6/8通道，數(shù)據(jù)輸出速率為125SPS 到 16kSPS，可編程增益放大器為1/2/4/8/12/24。該系列產(chǎn)品在電池管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電池測(cè)試設(shè)備以及商業(yè)和住宅電表、儲(chǔ)能系統(tǒng)等場(chǎng)景中有著非常廣泛的應(yīng)用。目前，ADX32x系列已批量出貨，車規(guī)級(jí)雙通道型號(hào)ADX320Q/ADX3202Q已經(jīng)量產(chǎn)。此外，類比半導(dǎo)體多顆車規(guī)級(jí)Σ-Δ ADC也在陸續(xù)量產(chǎn)中，敬請(qǐng)期待。

審核編輯：湯梓紅

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