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？
最新更新时间：2022-11-24 09:18
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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。
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。
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。
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fMOD的噪声）不会混叠到通带和转换结果中。
抗混叠滤波器
可以使用更高阶的抗混叠滤波器，但通常使用一阶、单极点、低通滤波器来满足要求。滤波器基于对目标信号的采样进行设计，式1决定滤波器的3 dB带宽：
选择电容值和电阻值时，较高电阻值更可取，但可能会增加噪声，而较低电容值存在一个限值，达到该限值之后，引脚电容与外部电容之比就变成相关因素。
根据此电容上可以看到的最大电压阶跃确定电路充电所需的时间非常重要。
电容上的电压将随时间变化，变化率为
VC = 某个时间点电容两端的电压，t = 时间
上电时，阶跃大小VS可能等于ADC的整个输入电压范围（±VREF/增益）。
图7显示，经过4个时间常数(
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