目前有許多不同的模數轉換器可供選擇，包括分立式ADC和集成到數字IC中的ADC，如微控制器、處理器和FPGA。哪種ADC最適合您的應用？您是否需要最高精度、簡單的內務檢查或介于兩者之間？什么采樣率就足夠了。此應用程序會記錄所有這些內容。它還重點介紹了最新的先進SAR、三角積分、流水線和集成ADC。

您正在測量的信號的速度、功率和準確性有多重要？你有什么選擇？有這么多不同的模數轉換器（ADC），您如何選擇一種？

有獨立（或分立）ADC，典型范圍為8位至24位，甚至有些具有32位選項。ADC 內核還集成到微控制器、FPGA、處理器或完整的片上系統 （SoC） 中。有逐次逼近寄存器 （SAR） ADC 和 Σ-Δ 版本。1當需要最高采樣速率速度時，使用流水線ADC。一些ADC的采樣頻率低至每秒約10個樣本，有些則遠高于1Gsps.ADC的價格從<1美元到265美元或更高不等。2流水線ADC的1，000件清單中的一些在很大程度上遠低于公布的“1k”價格。

為了幫助您為您的應用選擇正確或最佳的ADC，我們將仔細研究這些不同類型的ADC，并解釋它們的最佳工作條件。

SAR ADC – 用于中端速度和快照數據

SAR ADC提供廣泛的位和采樣速率或速度。SAR ADC 的工作范圍從 6 位或 8 位到高達 20 位，工作頻率通常在每秒幾千采樣 （ksps） 到每秒 10 兆采樣 （Msps） 之間。SAR ADC 是電機控制、振動分析和系統監控等中檔應用的理想選擇。它們不如流水線ADC快，但通常比Δ-Σ型ADC更快（下面還將討論兩者的用途）。

客戶什么時候會想要這個？當 需要 同時 測量 多個 信號 時， 可以 同時 使用 多個 單 SAR ADC 進行 采樣， 或者 使用 具有 多個 ADC 或 多個 采樣 （T/H） 內核 的 同時 采樣 ADC。這允許系統在同一時刻測量多個模擬輸入。3, 4

SAR ADC隨采樣速率線性調節功耗。例如，在1Msps時功耗為5mW的SAR ADC在1ksps時通常僅消耗5μW。因此，SAR ADC非常靈活，客戶可以為多種應用儲備一個零件號。

SAR ADC還有另一個優點：它們拍攝模擬輸入信號的“快照”。SAR 架構僅在一個時刻采樣（即“抓取”）。（稍后，我們將解釋此快照與對模擬輸入進行多次采樣的Δ-Σ型ADC有何不同。

電流和電壓互感器使用 SAR ADC 進行繼電保護應用。在這里，客戶在同一時刻測量不同的電流和電壓相位。電力公司就是一個很好的例子。通過精確的快照數據，公用事業公司可以確切地知道電線下有什么，以及如何最有效地管理電網。

Σ-Δ型ADC——通過更多位實現更高的精度

當您希望從更多采樣位獲得精度或確實需要最高有效位數（ENOB）時，Σ-Δ型ADC通常是最佳選擇，特別是對于低噪聲精密應用。當速度不那么重要時，Σ-Δ ADC的過采樣和噪聲整形可提供非常高的精度。

哪些應用可能需要> 20 位無噪聲分辨率？儀表單元和氣相色譜儀或石油和天然氣行業是示例應用，通常希望（甚至要求）從盡可能多的位獲得精度。這些系統應用為精密模擬信號設定了基準，在這些應用中，最終用戶必須絕對確定他們的數據——確切地說有多少低硫原油或天然氣在流動。

隨著SAR ADC市場在5到10年前開始飽和，Maxim Integrated、ADI公司、德州儀器和凌力爾特等公司都投資了多個Σ-Δ內核。目前的結果是非常好的ADC，最高可達24位或32位，采樣速率在10sps到幾Msps之間。

調制器與否？

Σ-Δ型ADC在速度和采樣速率方面變得越來越難以分類。

傳統的Σ-Δ在內部完成所有數字后處理（例如，使用SINC/陷波濾波器、抽取和噪聲整形）。從那里，數據以非常好的 ENOB 串行發送出去。例如，如果您有一個 24 位 ADC，則數據輸出包括 24 位。第一個位輸出是最有效位（MSB）和24千位是最低有效位 （LSB）。數據輸出速率通常是串行時鐘速率除以 24。這些不是最快的，也不是最靈活的ADC。

然而，在過去的5到10年中，Σ-Δ調制器變得越來越流行，特別是在需要良好速度（通常約為1Msps或更高）的應用中。Σ-Δ調制器不會等到全24位輸出被抽取，而是一次流出一位數據，并將數字濾波留給處理器或FPGA進行分析。

這種調制器靈活性對于電機控制等應用很有幫助，在這些應用中，12至16位是不夠的。在這里，如果24位數據流中的最后8個LSB提供足夠的模擬測量，則電機控制器可能不需要或想要等待最后8個LSB。

近年來，Σ-Δ調制器已達到16位和20Msps。

選擇 SAR 與 Sigma Delta——決定因素是速度

輸入濾波器是為您的應用選擇合適的ADC時的另一個重要考慮因素。回想一下，SAR 架構采用高速快照。當應用推送到更高的采樣速率（100ksps及以上）時，輸入濾波器變得更加復雜。通常，需要一個外部緩沖器或放大器來驅動輸入電容并在短時間內建立。這意味著放大器必須有足夠的帶寬。圖1所示為采用16位、500ksps MAX11166 SAR ADC的示例。位越高，采樣速率越快，輸入必須建立正確的輸入讀數的時間常數就越短。

圖1采用增益帶寬為55MHz的MAX9632放大器，后接一個簡單的RC濾波器。該放大器提供< 1nV/根 Hz 噪聲，因此可以從系統獲得十分之一 dB 的 ENOB。

圖1.SAR ADC （MAX11166/MAX11167）輸入濾波器示例顯示MAX9632放大器，增益帶寬為55MHz，驅動ADC輸入。

與SAR ADC相比，Δ-Σ型ADC中的輸入被過采樣很多次，因此抗混疊濾波器要求通常不那么嚴格。通常，一個簡單的RC濾波器就足夠了。圖2是MAX11270 24位、64kspsΣ-Δ型ADC的示例。這里以惠斯通電橋為例，差分輸入之間有一個10nF電容。

圖2.Σ-Δ型ADC （MAX11270）輸入濾波器示例需要一個簡單的外部RC濾波器。

流水線 ADC——用于超快速采樣

在介紹中，我們提到流水線ADC對于RF應用和軟件定義無線電等最高采樣速率非常重要。

在過去的10到15年里，頂級模擬公司一直在大量投資研發（R&D）到流水線ADC。ADI公司長期以來一直主導著這一市場，但德州儀器（TI）和凌力爾特（Linear Technology）近年來表現強勁。還有一些利基參與者，但沒有一家在這三個IC制造商的進步中取得重大進展。流水線ADC的前兩個品質因數是速度和功耗。這些 ADC 的采樣速率介于大約 10Msps 至每秒幾千兆采樣 （Gsps） 之間，適用于軟件定義無線電、雷達、通信、基站等需要超快速采樣的應用。如果超快的速度是流水線ADC的主要標準，那么ADC的接口就變得更加重要。

流水線ADC的下一個大戰場很可能基于ADC和處理器或FPGA之間的數字接口。并行數字接口一直是首選的接口，因為您可以在短時間內流式傳輸大量轉換器位。串行LVDS接口已應用于超聲等具有大量通道的應用，并且采樣速率在50Msps和65Msps之間歷來就足夠了。

JESD204B 串行接口

JESD204B串行接口是一種高達12.5Gbps的高速串行標準。由于上述模擬公司和數字公司（如Xilinx，Altera，Freescale等），該接口近年來出現。使用JESD204B接口，ADC制造商將其采樣速率推得越來越高，FPGA和處理器公司的串行收發器（也稱為串行器/解串器（或SerDes））也是如此。

這些更快的數據速率使得在更短的時間內以更少的PCB連接獲得更多數據成為可能。考慮一個多通道應用，其中許多ADC并行，即ADC和FPGA/處理器之間的布線。使用JESD204B串行接口，數據線數量大大減少，并保留電路板空間。圖3顯示了如何僅使用單個串行輸出對和同步輸入，從而大大減少了ADC和FPGA/處理器所需的輸入/輸出（IO）引腳數量。

圖3.JESD204B串行接口大大減少了ADC和FPGA/處理器之間的數據線數量。5

請注意，近年來關于JESD204B的文章很多，更深入的細節可以在其他文章中找到。

使用流水線ADC的電源的關鍵問題

現在，更多的ADC可以封裝在狹小的空間內，功耗變得更加成問題。這就是為什么領先的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決于位、速度和交流規格，如信噪比 （SNR） 和無雜散動態范圍 （SFDR）。一個好的規則是每1Msps1mW。如果您的ADC接近該值，那么您就有一個良好的起點。

針對微控制器、FPGA、處理器和 SoC 優化的 ADC

微控制器中的ADC

在過去的幾年里，選擇最好的ADC嵌入微控制器并不是一項簡單的任務。集成到微型中的ADC通常不是最高質量的。從歷史上看，當12位ADC嵌入微處理器時，就有效位數（ENOB）或線性度而言，它更有可能像8位ADC一樣運行。同樣，16位ADC的工作方式可能更像12位ADC。為了確保ADC應用具有足夠的性能，用戶必須仔細查看數據手冊中的規格，然后確定哪些規格是有保證的。僅列出ADC典型規格或條件不完整的最小和最大規格的情況并不少見。

最近，積分非線性（INL）、差分非線性（DNL）、增益誤差和ENOB等ADC性能已經得到充分改善，可以為某些微器件提供高質量的ADC讀數。毫不奇怪，集成ADC的微型器件數量大幅增長。

如今，如果應用需要12位或更少，并且只有幾個通道，那么微型ADC（通常是SAR或Δ-Σ）可能是最具成本效益的解決方案。微型ADC可能足夠的例子包括內務管理應用（如監控電源）或精度較低的溫度檢測（如測量二極管）。

FPGA、處理器和 SoC 中的 ADC

FPGA制造商也開始將ADC集成到其系統中。例如，Xilinx 在其所有 28 納米（7 系列）FPGA 和 ZynqSoC 中提供 12 位、1Msps ADC。還有各種各樣的處理器和 SoC 集成了 ADC。10位或12位以及高達1Msps是包含ADC的常見規格。?

ADC 在 FPGA、 處理器 或 SoC 中的 板 位 是 一個 關鍵 的 決定。許多處理器系統（如可編程邏輯控制器 （PLC））具有單獨的模擬板和數字板。將ADC定位在特定電路板上可能會成為一個問題。CPU模塊通常容納FPGA或SoC，但模擬輸入信號可以放在一個完全獨立的卡上，高速數字背板連接兩者。您不會通過這樣的連接路由敏感的模擬，因此在這種情況下，在FPGA、處理器、SoC（或微型）中集成ADC是沒有幫助的。這就是您絕對需要一款優秀的分立式ADC的地方，其中24位Σ-Δ型ADC是PLC應用中最常見的選擇。

以PLC為例，隔離是另一個需要考慮的因素。大多數PLC模擬輸入包括某種形式的隔離，通常是數字隔離。許多模擬輸入模塊集成了低成本的微型（<2美元至3美元，美國），以實現快速響應和快速中斷。現在，隔離的位置決定了內部ADC是否可行。如果隔離位于處理器（或微型）和背板之間，則集成到微型中的ADC是您的朋友。如果需要將微器件與高壓輸入信號隔離，則分立式ADC和數字隔離器是最佳解決方案。

你最好的選擇是什么？

在回顧了幾個ADC選項之后，我們回到了最初的問題：所測量信號的速度、功耗和精度有多重要，以及如何選擇一個？

這要看情況。雖然負責選擇正確ADC的數字設計人員和電源專家更喜歡更明確的指令，但ADC通常是復雜、細致入微的IC，需要研究數據手冊和評估（EV）套件。

如果您有一個相當快的信號，例如電機以每分鐘1，000轉以上的速度嗡嗡作響的振動分析，那么SAR ADC可能是最好的。

如果您的應用是低速（接近直流），如緩慢移動的溫度信號，則Σ-Δ型ADC可能是最好的選擇。

如果唯一需要的是簡單的低分辨率讀取內務功能，則微型、FPGA、處理器或SoC中的集成ADC可能可以完成這項工作。

如果應用必須測量世界上最快的模擬信號，那么流水線ADC是最佳選擇。

雖然模擬公司不斷創新，但這些規格的速度更快，功耗更低，價格可能更低。表1總結了當今市場上ADC的典型最小和最大規格。

審核編輯：郭婷