一種使用連續(xù)時(shí)間Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器優(yōu)化信號(hào)鏈的新型方法

Benjamin Reiss，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

問題：

為何應(yīng)考慮使用CTSD ADC來(lái)改善我的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)？

答案：

相比傳統(tǒng)架構(gòu)，CTSD拓?fù)淠軌騼?yōu)化信號(hào)鏈。

當(dāng)今許多應(yīng)用要求小尺寸，同時(shí)保持同樣的性能。開發(fā)人員經(jīng)常面臨如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的問題并且經(jīng)常要做出妥協(xié)。舉例來(lái)說，通過犧牲噪聲性能或精度來(lái)減小尺寸。本文探討使用連續(xù)時(shí)間Σ-Δ型(CTSD)轉(zhuǎn)換器優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低物料(BOM)成本和減小尺寸的新型方法。

要讓所需的傳感器或信號(hào)達(dá)到最佳效果，必須保證信號(hào)鏈中的所有元件配合出色。從傳感器到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)通常使用幾個(gè)分立元件。除了傳感器和ADC，還經(jīng)常使用儀表放大器、ADC驅(qū)動(dòng)器、基準(zhǔn)電壓源緩沖器和濾波器。尤其要注意的是，ADC驅(qū)動(dòng)器的選擇和濾波器設(shè)計(jì)通常是造成誤差的來(lái)源，但這兩項(xiàng)通常會(huì)被低估。

圖1.(A) 離散時(shí)間ADC拓?fù)洌?b) 連續(xù)時(shí)間Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器，(c) 通過開關(guān)電容輸入級(jí)的電荷注入反沖

圖2.DTSD和CTSD的尺寸對(duì)比，顯示使用CTSD ADC可以明顯減小尺寸

優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低BOM成本并減小尺寸的一種方法是使用μModule^?器件。這些器件是高度集成的解決方案，包含轉(zhuǎn)換器、緩沖器和無(wú)源組件。采用這種新型CTSD技術(shù)，就可以直接驅(qū)動(dòng)ADC，無(wú)需將放大器用作緩沖器。此外，這種新拓?fù)溥€可以簡(jiǎn)化濾波器設(shè)計(jì)。圖1顯示傳統(tǒng)的離散時(shí)間ADC (DT-ADC)和CTSD轉(zhuǎn)換器之間的區(qū)別。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，CTSD設(shè)計(jì)可以將尺寸縮減68%。

在傳統(tǒng)的DT-ADC（例如SAR ADC或Σ-Δ ADC）中，會(huì)使用開關(guān)電容拓?fù)洹DC和參考輸入端就是這種情況。這會(huì)使“采樣”和“保持”兩個(gè)階段之間出現(xiàn)差分。它們分別對(duì)應(yīng)“保持”電容的充電和放電。所以，由于寄生特性（電荷注入反沖），必須提供足夠電流，以便進(jìn)行充電、放電以及電荷吸收。許多傳感器無(wú)法提供如此高的電流，因此需要進(jìn)行緩沖。除了此功能之外，驅(qū)動(dòng)器的速度還必須足夠快（建立時(shí)間短，擺率高），以便解決“采樣”階段（參見圖1c）結(jié)束時(shí)穩(wěn)定輸出，從而避免給目標(biāo)信號(hào)帶來(lái)更多誤差。所以，對(duì)ADC驅(qū)動(dòng)器的要求非常高。

CTSD轉(zhuǎn)換器具有阻性輸入，可以直接由傳感器驅(qū)動(dòng)。如果傳感器無(wú)法驅(qū)動(dòng)ADC（例如，如果傳感器的阻抗非常高），可以插入一個(gè)簡(jiǎn)單的放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換。

CTSD還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是它本身具有抗混疊濾波器（低通濾波器）特性。傳統(tǒng)拓?fù)湫枰谳斎攵耸褂玫屯V波器來(lái)濾除高頻干擾信號(hào)。這是因?yàn)槟慰固販?zhǔn)則要求采樣速率必須至少為所需信號(hào)頻率的2倍。如果采樣速率過低，可能會(huì)出現(xiàn)混疊，導(dǎo)致干擾噪聲進(jìn)入信號(hào)。對(duì)于CTSD轉(zhuǎn)換器本身的抗混疊濾波器特性，一種解釋是：采樣不是發(fā)生在調(diào)制器輸入端，而是發(fā)生在環(huán)路濾波器之后。

結(jié)論

CTSD拓?fù)錇閮?yōu)化信號(hào)鏈提供了傳統(tǒng)架構(gòu)之外的另一種新的解決方案。此外，如果非常注重上市時(shí)間、BOM或尺寸因素，那么AD4134等ADC產(chǎn)品將會(huì)是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。它們具有阻性輸入且本身自帶濾波器屬性，可以幫助簡(jiǎn)化和優(yōu)化許多設(shè)計(jì)。在許多應(yīng)用中，可以無(wú)需使用ADC驅(qū)動(dòng)器、濾波器設(shè)計(jì)中的無(wú)源組件和基準(zhǔn)電壓源緩沖器?！赌M對(duì)話》刊登了有關(guān)該主題的系列文章，詳細(xì)闡述了上述優(yōu)勢(shì)以及許多其他特性。

作者簡(jiǎn)介

自2017年4月至今，Benjamin Reiss一直在ADI德國(guó)慕尼黑公司工作。他于2016年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，獲得納米技術(shù)碩士學(xué)位。完成ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目后，他加入?yún)^(qū)域團(tuán)隊(duì)，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，為許多客戶提供支持。聯(lián)系方式：benjamin.reiss@analog.com。

關(guān)鍵詞： 基準(zhǔn)電壓 低通濾波器 優(yōu)化設(shè)計(jì) 解決方案 離散時(shí)間