深入理解積分型ADC

一、引言

作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中常常需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）就是實(shí)現(xiàn)這一功能的重要手段之一。積分型ADC能夠提供高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并具備良好的噪聲抑制能力，常用于數(shù)字萬用表、面板儀表等應(yīng)用中。接下來，我們就詳細(xì)探討這種轉(zhuǎn)換器的工作原理及其特性。

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二、積分型ADC概述

積分型ADC可以提供高分辨率的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并且對(duì)電源頻率和噪聲有良好的抑制能力。自7106這類常見芯片問世以來，它已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間。其獨(dú)特的架構(gòu)為將低帶寬模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)提供了一種直接有效的方法。這類轉(zhuǎn)換器通常內(nèi)置LCD或LED顯示器驅(qū)動(dòng)，廣泛應(yīng)用于便攜式儀器，如數(shù)字面板表和數(shù)字萬用表。

三、不同架構(gòu)的積分型ADC

單斜率ADC架構(gòu)

單斜率ADC是積分型ADC中最簡(jiǎn)單的形式。它將未知輸入電壓進(jìn)行積分，并將積分值與已知參考值進(jìn)行比較。積分器觸發(fā)比較器所需的時(shí)間與未知電壓成正比（TINT/VIN）。不過，這種架構(gòu)的準(zhǔn)確性依賴于積分器的R和C值的公差。在生產(chǎn)環(huán)境中，每個(gè)組件值的細(xì)微差異會(huì)改變轉(zhuǎn)換結(jié)果，使得測(cè)量的重復(fù)性難以保證。

雙斜率ADC架構(gòu)

雙斜率ADC先對(duì)未知輸入電壓（VIN）進(jìn)行固定時(shí)間（TINT）的積分，然后使用已知參考電壓（VREF）進(jìn)行可變時(shí)間（TDEINT）的“反積分”。與單斜率架構(gòu)相比，雙斜率架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于最終轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)組件值的誤差不敏感，因?yàn)榉e分周期中組件值引入的任何誤差都會(huì)在反積分階段被抵消。其計(jì)算公式為Vin × TINT = VREF × TDEINT ，即 (TDEINT = TINT timesleft(V{IN } / V{REF }right))。

為了獲得更高的分辨率，可以增加時(shí)鐘周期數(shù)，但這會(huì)增加轉(zhuǎn)換時(shí)間。雖然可以通過適度的電路更改來加快給定分辨率下的轉(zhuǎn)換時(shí)間，但所有的加速技術(shù)都會(huì)增加誤差預(yù)算。雙斜率轉(zhuǎn)換器存在許多潛在的誤差源，如電源抑制比（PSR）、共模抑制比（CMR）、有限增益、過電壓?jiǎn)栴}、積分器飽和、比較器速度、比較器振蕩、“翻轉(zhuǎn)”、介質(zhì)吸收、電容器泄漏電流、寄生電容、電荷注入等。

多斜率積分型ADC

雙斜率架構(gòu)的分辨率通常受誤差比較器速度的限制。對(duì)于20位轉(zhuǎn)換器，在1MHz時(shí)鐘下，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為2秒，誤差比較器的壓擺率非常小，可能導(dǎo)致積分器超過觸發(fā)點(diǎn)，產(chǎn)生“殘差”。為了提高分辨率和減少轉(zhuǎn)換時(shí)間，可以先轉(zhuǎn)換前10位最高有效位，然后對(duì)殘差進(jìn)行放大和再次反積分。實(shí)際讀數(shù)為（第一次反積分時(shí)間總和 × 210 ） - （第二次反積分時(shí)間總和 × 25 ） + （第三次反積分時(shí)間總和 × 20 ）。

四、積分型ADC架構(gòu)深入分析

自動(dòng)調(diào)零

在實(shí)際應(yīng)用中，電路會(huì)存在隨時(shí)間和溫度漂移的失調(diào)。為了最小化這種影響，雙斜率轉(zhuǎn)換器采用自動(dòng)調(diào)零階段。在自動(dòng)調(diào)零期間，測(cè)量緩沖運(yùn)算放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓，并將其存儲(chǔ)在外部電容器上，使積分周期從失調(diào)為零開始。

電源頻率抑制

雙斜率ADC的一個(gè)重要特性是對(duì)50/60Hz信號(hào)的抑制能力。如果積分周期正好為時(shí)間T，則所有N × 1/T的頻率理論上會(huì)被完全抑制。但由于積分器的有限擺幅和50/60Hz頻率本身的波動(dòng)，實(shí)際的電源頻率抑制能力約為40 - 60dB。

誤差預(yù)算分析

雙斜率ADC的誤差預(yù)算包含多個(gè)方面。放大器需要具有高共模抑制比（CMR）、電源抑制比（PSR）和高有限增益。滿量程積分電流通常為20 - 100微安，這是低功耗和克服印刷電路板泄漏電流影響之間的折衷。比較器需要在一個(gè)時(shí)鐘周期的一小部分內(nèi)對(duì)較小的信號(hào)做出響應(yīng)，并且要盡量減少無意的滯后，以避免“翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。通過短路輸入端子進(jìn)行測(cè)量可以減少誤差，但會(huì)增加轉(zhuǎn)換時(shí)間。

外部組件

用戶需要為芯片提供一個(gè)用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流的電阻、一個(gè)積分電容器和一個(gè)自動(dòng)調(diào)零電容器。這兩個(gè)電容器需要具有出色的介質(zhì)吸收特性。積分電容器的模型顯示，它由高值的串聯(lián)R'C'組件與主電容器并聯(lián)組成，這種“記憶”效應(yīng)會(huì)限制轉(zhuǎn)換器的精度、分辨率和階躍響應(yīng)。

五、與其他ADC架構(gòu)的比較

與逐次逼近寄存器（SAR）ADC比較

SAR和積分型架構(gòu)都適用于低帶寬信號(hào)。SAR ADC的帶寬范圍更廣，能夠以低MHz的速度轉(zhuǎn)換信號(hào)，而積分型架構(gòu)的采樣速度約為100樣本/秒。兩者的功耗都較低。積分型ADC在共模抑制和噪聲性能方面表現(xiàn)更好，能夠有效去除50Hz或60Hz等不需要的頻率，并且更容易轉(zhuǎn)換低電平信號(hào)。但積分型ADC需要更多的外部組件。

與Σ - Δ ADC比較

Σ - Δ ADC通過過采樣獲得非常高的分辨率，允許低MHz范圍內(nèi)的輸入帶寬，具有出色的電源頻率抑制能力，并且可以轉(zhuǎn)換低電平信號(hào)。與積分型ADC不同，Σ - Δ ADC不需要外部組件，也不需要調(diào)整或校準(zhǔn)。Σ - Δ轉(zhuǎn)換器通常提供16位到24位的分辨率，而積分型ADC的目標(biāo)分辨率范圍是12位到16位。在12位級(jí)別，積分型ADC成本較低，而在16位時(shí)，Σ - Δ ADC也能提供低成本解決方案。

六、相關(guān)產(chǎn)品信息

Maxim Integrated提供了一系列相關(guān)的積分型ADC產(chǎn)品，如ICL7106、ICL7107、ICL7109等，這些產(chǎn)品都提供免費(fèi)樣品。

七、總結(jié)

積分型ADC以其高分辨率和良好的噪聲抑制能力在低帶寬信號(hào)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。不同架構(gòu)的積分型ADC各有特點(diǎn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要根據(jù)具體需求權(quán)衡轉(zhuǎn)換時(shí)間、分辨率、誤差預(yù)算等因素。與其他ADC架構(gòu)相比，積分型ADC在某些方面表現(xiàn)出色，但也存在一些局限性。作為電子工程師，我們需要深入理解這些特性，以便在設(shè)計(jì)中做出最佳選擇。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過積分型ADC的相關(guān)問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。

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