作者：ADI 公司　　Abhilasha Kawle，高级模拟设计工程师　　Wasim Shaikh，应用工程师

精密信号链设计人员面临着满足中等带宽应用中噪声性能要求的挑战，最后往往要在噪声性能和精度之间做出权衡。缩短上市时间并在第一时间完成正确的设计则进一步增加了压力。持续时间Σ-Δ （CTSD） ADC本身具有架构优势，简化了信号链设计，从而缩减了解决方案尺寸，有助于客户缩短终端产品的上市时间。为了说明CTSD ADC本身的架构优势及其如何适用于各种精密中等带宽应用，我们将深入分析信号链设计，让设计人员了解CTSD技术的关键优势，并探索AD4134 精密ADC易于设计的特性。

在许多数字处理应用和算法中，在过去的20年里，日益要求所有转换器技术都具有更高的分辨率和精度。通过使用外部数字控制器，借助平均和优化的滤波方案等软件技术可提取并提供更精确的结果，从而提高ADC受限的分辨率/精度。为了减少数字微控制器或DSP的大量后处理工作，设计人员可使用高性能精密ADC。这将减少数字方面的优化时间，也可以考虑使用成本较低的微控制器或DSP。精密ADC的应用和市场很广泛：

►工业仪器仪表：振动分析、温度/压力/应力/流量测量、动态信号分析、声学分析

图1.精密ADC信号链示例

►医疗仪器仪表：电生理学、血液分析、心电图（EKG/ECG）

►防务应用：声纳、遥测

►测试和测量：音频测试、硬件循环、电能质量分析

由ADC处理的模拟输入信号可以是带有电压、电流输出的传感器信号，也可以是带宽范围从直流到几百kHz的反馈控制环路信号。ADC数字输出格式和速率取决于以下数字控制器所需的应用和后处理。一般而言，信号链设计人员遵循奈奎斯特采样准则，将数字控制器的ADC输出数据速率（ODR）设置为至少是输入频率的两倍。大多数ADC允许基于相关信号频带灵活地调整输出数据速率。

对于目前可用的ADC，在ADC可与输入信号交互前涉及到几个信号调理阶段。具有严格要求的信号调理电路需要围绕特定和单独的ADC技术进行设计和定制，确保能够实现ADC数据手册的性能。选择ADC后，信号链设计人员的工作并没有结束。通常需要花费大量时间和精力来设计外设并进行调整。ADI公司的设计仿真工具和模型库可为设计人员提供技术支持，帮助他们应对设计挑战。

CTSD架构主要用于音频和高速ADC，现在针对精密应用量身定制，可实现高精度，同时利用其独特信号链简化特性。利用此架构可以减轻设计外设的工作量。图2显示了如何通过使用这种新的解决方案来实现高通道密度，将当前ADC信号链简化并缩减56%，图中只是其中的一小部分。

为了说明CTSD ADC技术如何简化信号链设计，本文重点介绍一般应用的现有信号链中涉及的一些关键挑战，并演示了CTSD ADC如何缓解这些挑战。

因此，我们首先介绍现有信号链中涉及的几个设计步骤，第一个任务是选择适合目标应用的正确ADC。

第1步：选择ADC

除了应用所需的最终数字输出的分辨率和精度外，从广泛的可用范围中选择合适的ADC时，信号带宽、ODR、信号类型和要处理的范围也是重要考虑因素。一般而言，在大多数应用中，数字控制器要求使用算法来处理输入信号的幅度、相位或频率。

为了准确地测量前面的任何一个因素，需要尽量减小数字化过程中增加的误差。表1中详细列出了主要误差及其相应的测量术语，数据转换基本指南中提供了进一步详细说明。

表1.ADC误差和性能指标

表1中的性能指标与信号幅度和频率有关，通常称为交流性能参数。

对于直流或近直流应用，如处理50 Hz至60 Hz输入信号的功率计量，必须考虑偏置、增益、INL和闪烁噪声等ADC误差。这些直流性能参数也需要针对应用预期用途具有一定的温度稳定性。

ADI提供各种行业领先的高性能ADC，以满足多个应用的系统需求，例如基于精度、速度或有限功耗预算的应用。仅比较两组ADC规格不足以正确选择ADC。还必须考虑整体系统性能和设计挑战，这才是选择ADC技术或架构的关键所在。传统上首选两大类ADC架构。常用的是逐次逼近寄存器（SAR） ADC，其遵循简单的奈奎斯特准则。它指出，如果以其频率的两倍采样，可重构信号。SAR ADC的优势在于出色的直流性能、小尺寸、低延迟以及通过ODR进行功耗调节。

第二种技术选项是离散时间Σ-Δ （DTSD） ADC，其工作原理是样本数目越大，丢失的信息就越少。因此，采样频率远高于规定的奈奎斯特频率，这种方案称为过采样。此架构还有一个优势是，由于采样而增加的误差可在目标频带内最小化。因此，DTSD ADC兼具出色的直流和交流性能，但延迟较高。

图2.具有ADI易于使用的新CTSD ADC的小尺寸解决方案

图3展示了SAR和DTSD ADC的典型模拟输入带宽，以及一些不同速度和分辨率的常用产品选择。也可使用精密快速搜索功能帮助您选择ADC。

此外，现在还有一种新型精密ADC可用。这些ADC基于DTSD ADC，与DTSD ADC性能相当，但在简化整个信号链设计过程方面具有独特的优势。这个全新的ADC系列可以解决现有信号链后续几个设计步骤中比较突出的挑战。

第2步：输入与ADC接口

由ADC处理其输出的传感器可能具有非常高的灵敏度。设计人员必须清楚地知道传感器将与之接口的ADC输入结构，确保ADC误差不会影响实际传感器信号或使其失真。

在传统SAR、DTSD ADC中，输入结构称为开关电容采样保持电路，如图4所示。在每个采样时钟边缘，当采样开关改变其ON/OFF状态时，需要支持有限电流需求，以便将保持电容充放电至一个新的采样输入值。此电流需要通过输入源提供，在我们讨论的示例中，这个输入源是传感器。此外，开关本身有一些片内寄生电容，会将一些电荷注入电源，称为电荷注入反冲。由此增加的误差源也需要由传感器吸收，以免对传感器信号造成不利影响。

大多数传感器无法提供这种电流幅度，表明它们不能直接驱动开关电路。在另一种情况下，即使传感器能够支持这些电流需求，传感器的有限阻抗也会在ADC输入端增加误差。电荷注入电流与输入成函数关系，此电流将会在传感器阻抗上引起与输入相关的压降。如图4a所示，ADC的输入错误。在传感器和ADC之间放置一个驱动放大器可以解决这些问题，如图4b所示。

现在我们需要为此放大器设定标准。首先，放大器应支持充电电流并能够吸收电荷注入反冲。其次，该放大器的输出需要在采样边缘的末端完全稳定，使得对ADC输入采样时不会增加误差。这意味着放大器应能提供瞬时电流阶跃，映射为具有高压摆率，并对这些瞬态事件提供快速建立响应，映射为具有高带宽。随着ADC的采样频率和分辨率的增加，能否满足这些需求变得至关重要。

设计人员，特别是处理中等带宽应用的设计人员所面临的一大挑战是为ADC确定合适的放大器。如前所述，ADI提供了一组仿真模型和精密ADC驱动器工具来简化此步骤，但对于设计人员来说，这是实现ADC数据手册性能的额外设计步骤。一些新时代的SAR和DTSD ADC通过使用新颖的采样技术来完全降低瞬态电流需求，或采用集成放大器应对这一挑战。但这两种解决方案都限制了信号带宽的范围或削弱了ADC的性能。

CTSD ADC的优势：CTSD ADC通过为易于驱动的电阻输入而非开关电容输入提供新的选项，来解决这个问题。这表明对高带宽、大压摆率的放大器没有硬性要求。如果传感器可直接驱动此阻性负载，则可直接与CTSD ADC接口；否则可在传感器和CTSD ADC之间连接任何低带宽、低噪声放大器。