使用∑-Δ ADC构建低功耗精密信号链应用最重要的时序因素有哪些？

2022-11-22

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"时间至关重要"——这个古老的惯用语可以应用于任何领域，但当应用于现实世界信号的采样时，它是我们工程学科的支柱。当尝试降低功耗、实现时序目标并满足性能要求时，必须考虑测量信号链选择何种ADC架构类型：∑-Δ还是逐次逼近寄存器(SAR)。一旦选择了特定架构，系统设计人员便可创建所需的电路以获得必要的系统性能。此时，设计人员需要考虑其低功耗精密信号链的最重要时序因素。

图1. 信号链时序考量

需要高速度：低功耗信号链选择SAR型还是∑-Δ型？

我们将重点关注测量带宽低于10 kHz的精密低功耗测量和信号（例如温度、压力和流量），不过本文涉及的很多主题也可应用于带宽更宽的测量系统。

过去，当探索低功耗系统时，设计人员会选择∑-Δ ADC来实现对缓慢移动信号的较高精度测量。SAR被认为更适用于需要转换较多通道的高速测量，但新型SAR（如 AD4630-24 ）正在进入传统上使用∑-Δ ADC的高精度领域，因此以上说法并不是硬性规定。关于ADC架构的实际例子，我们来看两款低功耗产品并考虑与ADC信号链架构相关的时序：AD4130-8 ∑-Δ ADC和 AD4696 SAR ADC，如表1所示。

表1. 超低功耗ADC

采样频率抑或输出数据速率？

SAR转换器对输入进行采样，在已知时间点捕获信号电平。初始采样（和保持）阶段之后是转换阶段。获取结果所需的时间很大程度上取决于采样频率。

∑-Δ转换器以调制器频率进行采样。调制器会过采样，采样速率远高于输入信号的奈奎斯特频率。额外的频率跨度使得噪声可以被转移到更高频率。然后，ADC对调制器输出使用一种称为"抽取"的处理，通过降低采样速率来换取更高的精度。它是通过数字低通滤波器完成的，相当于时域中的平均操作。

不同技术获取转换结果的方式有所不同，SAR产品文档使用的概念是采样频率(fSAMPLE)，而∑-Δ产品的数据手册使用输出数据速率(ODR)。当相对于时间详细讨论这些架构时，我们会引导读者区分二者。

图2. SAR (ƒ_SAMPLE)与∑-Δ (ODR)的比较

对于在多个通道上执行一次转换的多路复用ADC，在所有通道上执行转换所需的时间（包括建立时间等）称为吞吐速率。

信号链的第一个时序考虑因素是偏置/激励传感器和信号链上电所需的时间。电压和电流源需要开启，传感器需要偏置，启动时间规格需要考虑。例如，对于基准电压引脚上的特定负载电容，AD4130-8片内基准电压源的开启建立时间为280 µs。片内偏置电压（可用于激励传感器）具有每nF 3.7 µs的启动时间，但这取决于连接到模拟输入引脚的电容量。

在研究了信号链中的上电时间之后，我们需要了解与ADC架构相关的时序考量。我们首先将重点介绍超低功耗应用中以∑-Δ ADC为核心的测量信号链，以及与此类ADC相关的重要时序考虑因素。SAR和∑-Δ信号链在影响时序的方面有一些重叠，例如运用技术以使微控制器交互时间最小化，从而实现系统级功耗改进。

使用∑-Δ ADC时的信号链时序考量

如果选择的ADC是∑-Δ型而非SAR型，则需要考虑一组特定的时序因素。查看信号链时，需要探索的主要方面是模拟前端时序、ADC时序和数字接口时序，如图1所示。

模拟前端时序考量

我们将分别探讨这三个模块，从模拟前端(AFE)开始。AFE可能因设计类型而异，但有一些共同方面适用于大多数电路。

图3. AFE ∑-Δ时序考量

AD4130-8是精密低功耗信号链产品组的一部分，经过专门设计，具有丰富的特性组合，可在降低功耗的同时实现高性能。其中一些特性包括片上FIFO、智能通道时序控制器和占空比控制。

AD4130-8是ADI公司的超低功耗∑-Δ ADC。考虑其片内包含许多关键信号链构建模块，例如片内基准电压源、可编程增益放大器(PGA)、多路复用器、传感器激励电流或传感器偏置电压等，超低电流令人印象深刻。

此器件的AFE包括一个片内PGA，其使模拟输入电流最小化，从而无需外部放大器来驱动输入。过采样之后的数字滤波器确保带宽主要由数字滤波器控制。AD4130-8提供多个片内sinc3和sinc4滤波器，另外还有用于抑制50 Hz和60 Hz噪声的滤波器。sinc3和sinc4数字滤波器需要外部抗混叠滤波器作为补充。该抗混叠滤波器的作用是限制输入信号的带宽量。这是为了确保噪声（例如变化率为调制器频率f_MOD的噪声）不会混叠到通带和转换结果中。

图4. AD4130 ∑-Δ简化系统模块

图5. 外部和内部组合滤波的仿真