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很久以來,對于許多科學、工業、醫療和消費領域的應用中的關鍵系統的實現來說,模數轉換器都是最關鍵的器件。隨著對功能集和性能雙方面需求的持續增長,設計師不斷地追求更具成本效益的方法使數據轉換電路實現所期望的性能指標。

為了滿足應用目標,覆蓋范圍極廣的復雜設計,例如自動測試設備(ATE),醫療儀器和監控設備,數據采集系統,實驗室儀器以及工業自動化方面所用的可編程邏輯控制器(PLC)等,都取決于高分辨率的ADC。其結果是,ADC為現實的“模擬世界”和利用數字信息的“處理世界”之間提供了一座橋梁。

對于ADC的基本需求始終都離不開分辨率、精度和帶寬。在選擇ADC時,其他還必須要考慮的是信噪比性能、失真和延遲。在許多應用中,為了處理高頻或連續讀取各種傳感器的數值,需要ADC具有快速響應。在ADC內部能夠有效地處理多路信號的能力也正變得日益重要。這是因為在一個器件里處理多路模擬信號的需求正日益增加,例如在設計PLC時 ,要求能夠在監控的同時,還能夠整合同一生產環境下的多種傳感器的實時輸入。

許多傳統ADC的輸入端較難驅動,因而需要增加成本合適且具有高性能的輸入緩沖器,以便提供連續處理場景中所需的響應。另外,某些ADC架構中甚至強行增加了“強制性靜止時間”,即在采樣時間內系統不能訪問ADC,這更增加了設計的復雜度。

當然,在任何器件的選擇中都必須考慮的其他要求還包括器件自身成本以及在整個設計中為確保合適的功能所需的輔助電路的成本。這一點對于ADC來說更為重要,特別是用在高性能的多元環境中的ADC,這是因為由于所選得ADC的類型不同,所需的輔助電路的相差很大。例如,如果ADC自身不能提供優異的噪聲抑制和測量精度,就需要精心設計整個電路才能滿足性能目標。在這方面,基于傳統的連續逼近寄存器(SAR)型ADC的設計還對電路板空間,成本和功率方面提出特殊的挑戰,因為需要設計很容易超過SAR型ADC自身的低功耗指標的輸入緩沖器。所有這些因素在設計目標的成本效益方面都起著重要作用。

傳統的SAR方案

傳統上,上述的各種高性能應用都采用SAR架構的ADC,這種ADC能夠提供連續時間點上的一系列快速取樣。SAR型ADC通常瞄準的是需要快速響應和低延遲的應用,但是,SAR型ADC對噪聲比較敏感,動態非線性(DNL)性能相對較低,通常需要大量的輔助電路,從而增加了采用SAR型ADC的設計總成本和復雜度。

線性度較差也帶來一些具有特定的挑戰性問題,因為該誤差無法利用信號的過采樣來平滑。在非常多的情況下,設計師必須通過過度要求SAR型ADC的指標以及設計復雜的系統來彌補SAR型的DNL性能。類似地,SAR型較高的噪聲靈敏度和有限的噪聲抑制能力也為設計帶來一些額外的挑戰,特別是在許多臺設備共同部署的噪聲比較大的環境里,例如生產車間里的一系列PLC以及彼此相鄰的許多醫療儀器設備。

相比較,采用Delta-Sigma架構的ADC能夠提供較好的DNL和噪聲性能,并且很少需要復雜的輔助電路。以前,沒有人考慮過在要求低延遲、高變換速率以及實現高信號帶寬的高性能應用中使用Delta-Sigma ADC。不過,根據本文圖中所示的測試數據,這種傳統的觀念已經不再適用。

新型高吞吐率Delta-Sigma架構

隨著高吞吐率的CS556x/7x/8x家族的數據轉換器的推出,Cirrus Logic大大擴大了設計師的選擇范圍。該系列包括16位和24位的ADC,采用了先進的高吞吐率的Delta Sigma架構,轉換速率達到200ksps。相對于SAR架構,該架構的器件響應速度更快,延遲更低,因而成為傳統上要求使用SAR型ADC的應用中更具成本效益的理想替代。

該產品家族中的所有產品都具備下列關鍵性能:

1. 帶緩沖的高阻抗輸入(單端或差分)；

2. 5V 或 +  模擬電源；

3. 、  或 數字電源；

4. 全部帶有自校準 (用于電源或溫度變化時的偏移和增益誤差校準)；

5. 靈活的串行數字接口(主/從模式)；

6. -40oC 到 +85oC的工作溫度范圍；

7. 24引腳的SSOP封裝。

整個家族的所有器件的引腳兼容,因此設計師可以將驗證過的設計平滑地移植到其他多種產品平臺中,將重新設計減到最少。

單周期延遲

過去,Delta-Sigma型ADC主要用于如來自溫度傳感器和重量標準載荷單元的慢變化信號的最高分辨率測量。由于在嘈雜的數字環境中,噪聲抑制性能是獲得測量高精度的關鍵,設計師們已經習慣于采用長“sinc”函數型數字濾波器,這種濾波器對電源線上的干擾(如50和60Hz的電源工頻及其諧波)具有優異的抑制能力。這些濾波器很容易設計,占用很少的芯片面積并具有很好的噪聲性能。但是,這種濾波器響應太長(在提交輸出字之前需要處理許多周期的輸入信號),因此,對輸入信號的變化響應很慢。例如,在圖1的左側,顯示出在高分辨率家族中流行的CS533x家族器件所用的數字濾波器的轉換延遲高達3個周期。

CS556x/7x/8x家族器件采用了非?？斓腇IR濾波器,這種濾波器具有兩大優點。首先,該濾波器對兩倍的采樣頻率的響應幾乎是平坦的,為用戶提供了無限的頻率響應,這正是采用SAR型轉換器所期望的。其次(如圖1中的右側所示),這種濾波器處理很快,只需要一個采樣周期就可以提供輸出字。這種單周期轉換延遲使得這類新器件能夠提供delta-sigma型ADC的卓越的噪聲和DNL性能,又能提供SAR型轉換器的高采樣率和Nyquist帶寬。

圖1:Delta-Sigma ADC與SAR型ADC延遲性能的比較。

這類新器件的另一個關鍵優點是克服了許多傳統的SAR型器件所強加的“靜止期”,這種靜止期指的是在采樣處理的部分時間內不能讀取轉換器的輸出。CS556x/7x/8x的測試結果顯示,在轉換期間的任何時刻,都可以讀取數字輸出,因而不影響器件的性能,包括全速工作期間。

另一個重要的功能是能夠按需轉換(SAR型轉換器的另一特點)。該功能使得這類器件非常適用于管理生產環境中經常需要的異步測量。該能力允許將轉換與特定事件相協調,例如帶多個脈沖或其他傳感器輸入的 同步流。此外,利用雙電源可以實現真正的雙極輸入。目前業界的產品都是使用單電源(只有+5V),因此需要用一個電平移位器將雙極信號移到地電平之上,這樣就會產生額外的增益和偏置誤差,從而增加系統誤差。

緩沖輸入具有許多優點

如上所述,SAR型轉換器提出了許多設計挑戰。在模擬輸入端最為明顯,在這里設計師必須密切注意元器件的選擇和電路布局,以便在面對多個噪聲源的環境里獲得轉換器的測量精度。因為在SAR架構里采用了高速比較器,加上器件內部的快速變換數字電路的影響,SAR轉換器自身就是主要的噪聲產生器,通常這對許多設計師-即便是最富經驗的設計師來說,都是沒有辦法和令人頭疼的事情!

比較起來,Delta-Sigma轉換器具有許多固有的優點,包括對噪聲的低靈敏度,以及固有的高精度,從而使性能得到大量的改進。首先,這類器件集成有高阻輸入緩沖放大器,從而在無需復雜和成本高昂的外部輸入緩沖電路的條件下,很容易地實現高性能指標。SAR型器件在轉換期間,通常利用某種類型的采樣保持電路來維持輸入信號采樣的穩定。結果,這些器件的輸入端對信號源的阻抗非常低,還有一個很大的電容,故需要一個非常可靠的放大電路來維持ADC的輸入電平在動態采樣期間保持穩定。這可能是一項挑戰性極強的設計任務,因為在許多情況下,需要一個成本和復雜度超過轉換電路中所有其他部分的緩沖電路,因為使采樣輸入信號性能降低的噪聲將直接影響轉換精度。換句話說,在某些應用中,這類新型的高吞吐率的Delta-Sigma型轉換器件,有時可以直接由傳感器驅動,不需要傳統SAR型轉換器重所必需的緩沖放大器。

其次,由于對輸入過采得到多個樣本(在采樣率為8MHz時,對于24位的CS5560/1器件來說是160個),Delta-Sigma調節環路內部提供的低通濾波器和數字濾波器中所實現的算術平均,抑制了甚至就根本不受大部分噪聲的影響,而這些噪聲在基于SAR型轉換的設計中則會產生很大的問題。

目前,在混合信號環境中經常遇到的另一個約束是,由于利用低電壓亞微米CMOS工藝所造成的單電源工作模式。新型的CS556x/7x/8x家族的器件在使用最低±的雙電源時,能夠提供真正的雙極模擬輸入。這對測量參考電平為地電平的交流信號或具有負輸出的變頻器的用戶來說,是一個極大的優點,因為為了滿足單電源轉換器的輸入要求,需要一個電路將信號偏移到地電平以下,該電路需要一個電平移位放大器,而該放大器也會為敏感的小信號引入額外的噪聲和偏移誤差。

下面將提供關鍵參數的詳細比較,例如失真性能和動態非線性。

失真性能

圖2a和2b給出了常用的SAR器件和高吞吐率的Delta-Sigma CS5571器件的失真性能的詳細比較。可以看到,CS5571的性能遠勝過SAR器件。在FS的-12dB處,SAR的信號失真比為,而CS5571的S/D比值為100dB。Delta-Sigma  型轉換器具有較好的失真性能的一個主要原因是具有優異的代碼尺寸的一致性,這是因為具有比SAR型轉換器好得多的DNL性能的結果(詳見下節)。

圖2a SAR FFT Distortion @ -12 dB of FS

圖2b ?C CS5571 FFT Noise Distortion @ -12 dB of FS

動態非線性性能

DNL基本上是歸一化到滿刻度的代碼寬度變化的量度。它實際上就是偏離統一的或平均代碼值的值,導致一個代表與另一個代碼值不同的電壓步進量。圖3a和3b所示的DNL,對代碼值的變化提供了一個直觀的顯示,該變化將增加碼丟失,獲取和偏移誤差。正如所見,根據競爭對手領先的SAR型器件所測出的DNL曲線,代碼值變化很大,而在轉換速度相同的條件下, CS5571的DNL在整個的輸入范圍內,誤差都非常低。

圖3a ?C 16-bit SAR DNL Plot (In fraction of lsb)

圖3b ?C 16-bit CS5571 DNL Plot (In fraction of lsb)

優異設計源于悠久歷史

還需要著重指出的是,這個新家族的高吞吐率Delta-Sigma器件,來自一個已被世界各地普遍認可的供貨商,該公司具有消費品和工業市場上范圍很廣的高精度模擬和混合集成電路的研發經驗。Cirrus Logic廣泛的產品線已經包括許多用于消費領域,專業和汽車娛樂應用的模擬和混合音品IC,以及許多工業應用,如工業測量,分析儀器,消費品,數字功率計和地震測量系統中的高精度模擬和混合IC。

我們的歷史可以追溯到1984年(當時的Crystal Semiconductor),之所以能夠研發出來CS556x/7x/8x家族的器件,是因為具有研發領先IC的久遠歷史以及信奉充分理解終端應用和不斷瞄準新的產品研發來解決現實世界的挑戰。作為一個長期的、在SAR和Delta-Sigma ADC方面極具經驗的供貨商,Cirrus Logic公司的理念是不斷提升經驗和研發能力,來克服各種產品的缺點并研發兩方面都最好的新產品。

典型的應用場合

高分辨率再加上不受限的信號帶寬,使得設計師能夠實現滿足其特定應用需求的噪聲處理和信號濾波。在使用的地方,這甚至可以包括自適應濾波,即系統可以動態地調整濾波器來適合變化的環境,從而提供以前根本無法提供的新能力,以滿足高分辨率測量應用。

受益于該項新技術的最激動人心的應用領域之一就是用于PLC和處理控制系統的嵌入式設計。最近幾年,工業自動化環境演進到更側重于分散控制,采用密集的多功能解決方案,這種方案可以處理各種實時的傳感器輸入,還有嵌入式智能以及實現本地決策環路的閉環響應。許多情況下,較差的DNL性能和噪聲特性,以及對額外的輔助電路的需求,限制了SAR在實現新一代的模塊PLC方面的應用。

該高吞吐率Delta-Sigma器件的推出解決了這些障礙,使得PLC設計師能夠實現高分辨率和低延遲,與此同時,還保持高測量精度,并具有非常一致的DNL性能。這一點對于實時閉環應用尤為重要,因為這種應用中重要的是不能丟失代碼并避免ADC的傳遞函數發生階躍,否則將會導致控制環路出現“不確定”條件。

自動測試設備是另一個關鍵的應用領域,在這種應用中,需要對多路同時輸入的輸入流進行監控和實時處理。因此,要實現精確的測試結果,一致的DNL性能是至關重要的,特別是在一個較長的觀測時間內連續地監控比較小且有時有一些細微變化的測試信號。

此外,對于用來測試和測量對噪聲敏感的設備的某些ATE系統,實際上SAR型轉換器的固有噪聲靈敏度是一個另外的挑戰,因為它會干擾測試結果。如上所述,設計師通常選用分辨率和速度比實際需要高得多的SAR型轉換器,然后平均多個樣本來獲得所期望的系統測量精度。而采用這種新型的高吞吐率的轉換器,每一次讀取都可以得到足夠的精度,因此可以徹底不需要過高的分辨率或采樣率和后處理。在ATE領域,這將產生很高的吞吐率,這對終端用戶來說等同于降低測試成本。ATE應用還代表著另一個應用領域,在該領域中,自適應濾波通過在測試過程中動態調節測試參數,可以提供一些令人更感興趣的優勢。

醫療設備是另一個從這種新型的高吞吐率數據轉換器受益的重要市場分支。這些設備包括病床旁邊的監控器,血壓分析儀,以及其他類型的診斷系統,這些設備和系統通常對使用12-16位的ADC,不過設計師們已經意識到了轉用更高分辨率的ADC的潛在好處了。這將能使他們對傳感器信號直接數字化,然后利用軟件對信號進行信號獲取和誤差校正,從而可以改進設備的精度和分析的靈活性。這些新型的高吞吐率的Delta-Sigma器件與原來的16位和24位的ADC引腳兼容,故設計師可以平滑過渡到更高的分辨率,無需冒很大的設計風險或犧牲未來的靈活性。

測重設備是另一個關鍵的應用領域,這里,高精度的連續測量對于實現精密的批控制和高速稱重功能起著關鍵作用。實際上所稱量的產品范圍很廣,從混凝土這類的笨重物品,到向土豆片這類的消費類產品。但要實現高質量和吞吐指標,高精度和快響應是關鍵。例如,用來稱重土豆片的設備必須能提供的精度高達大約盎司,連續的稱重速度達到每秒3～5包。

本文小結

由于該高吞吐率數據轉換器家族的每一款都能提供前所未有的DNL性能,故設計師在應用目標的成本效益的實現方面有廣泛的選擇范圍。實際上,由于該家族中的16位轉換器可以提供出色的線性度和噪聲性能,在許多情況下,用戶可以選用速度比過去更低的ADC,而且無需對來自噪聲性能較差的SAR器件的多個數據樣本進行平均,這是因為這些新型的ADC利用一次變換即可提供無噪聲干擾的足夠高的顯示精度。

這種先進的數據轉換器架構方案滿足了高分辨率,低延遲和高采樣率等主要目標。能夠支持需要連續采樣的應用,既不需要較大的輸入緩沖器和復雜的輔助電路,也不需要對器件的輸出緩沖器的訪問施加一些苛刻限制。

作者:Rich Wegner

  高級營銷經理

Cirrus Logic公司