【ADC】SAR 型 ADC 和 ΔΣ ADC 的选型决策方法

本文学习于TI 高精度实验室课程，介绍如何选择 SAR 或 delta-sigma 型 ADC。

---

---

一、选型决策树

下图是本文介绍的整个决策树。

---

二、特定传感器的应用

决策树从特定于传感器的输入开始。有许多 delta-sigma 转换器专门用于测量特定类型的传感器，如包括 RTD、热电偶和称重秤，这些传感器的专属 ADC 通常具有很多集成功能，有助于测量特定传感器。例如，RTD 解决方案将包括精密激励电流源。热电偶通常具有开路传感器检测和用于冷结补偿的本地温度传感器。通常，这些类型的转换器针对直流信号进行了优化，并且具有高分辨率。在大多数情况下，这种应用将使用 delta-sigma 进行测量。

当较低分辨率系统就足够并且需要快速扫描速率时，SAR 可用于测量传感器输出。 下图显示了一个示例，其中多个热电偶通过多路复用器连接到分立 PGA 和 SAR 转换器。多路复用器和 PGA 在这里是分立的前端器件，而 delta-sigma 往往集成了这些组件。如前所述，delta-sigma 更常用于低频型传感器。

在之前的例子中，我们看到一些 delta-sigma 转换器包含用于传感器信号调节的集成功能。然而，这并非传感器专用产品所独有的。许多有用的功能可能集成在一起，这些功能本质上是通用的。例如，一些设备还包括滤波器、电压基准、阈值检测器、可编程增益放大器、振荡器以及 RMS 和 CRC 计算。传统上，delta-sigma 转换器往往包含更多集成功能，但近期，这在 SAR 转换器中也变得很常见，如下图所示。

---

三、需要 DC 精度但分辨率较低的应用

下一个需要考虑的是当前应用是否需要 DC 精度但分辨率较低。对于小于或等于 16 位的转换器，SAR 或 delta-sigma 转换器是否更适合测量低频信号？事实证明，在这种情况下，这两种类型的转换器都有很好的选择。

下图中，我们重点介绍 delta-sigma 选项。这种 delta-sigma 会使用低延迟数字滤波器来最大限度地降低噪声。它们还经常包括集成多路复用器和 PGA。通常，这种转换器被称为通用 delta-sigma ADC。这些设备可以采用非常小的封装，并且通常价格较低。

下图展示了通用转换器的 SAR 选项。SAR 转换器的一个优点是它可用于快速获取 DC 输入信号的“快照”，然后进入低功耗状态。 此外，可能存在一种应用，其中系统中的大多数信号都是 DC，但有些信号需要更快的采样率。在这种情况下，SAR 可能是最佳选择。如果所有输入都是 DC，那么您可以根据成本、封装尺寸或其他规格选择任一解决方案。

---

四、需要 DC 精度且分辨率较高的应用

当检测具有高分辨率要求的直流信号时，delta-sigma 转换器通常是最佳解决方案。因为，delta-sigma 使用噪声整形和内部数字滤波器来获得非常低的噪声。 此外，有些会集成 50 或 60 赫兹抑制滤波器。最后，许多 delta-sigma 转换器集成了高阻抗 PGA，因此不需要外部放大器，如下图所示。

下面看看 SAR 选项。下图展示了用于检测直流信号的更高分辨率 SAR 转换器。通常，这种应用会使用 delta-sigma，但如果其中一个信号的频率较高，或者系统用于拍摄快照并在采样之间保持休眠状态，SAR 可能会很有用。 SAR 转换器有高分辨率的型号，但通常，高分辨率 SAR 不用于检测直流信号。

---

五、极低噪声的 DC 精密测量

最后，对于极低噪声的直流精密测量，delta-sigma 转换器是最佳选择。 这些设备的分辨率可达 32 位，噪声极低。例如，ADS1263 的总集成噪声仅为 7 nVRMS。此外，集成数字滤波器可配置为抑制 50 和 60 Hz 噪声，如下图所示。

---

六、需要捕获瞬态信号值的应用

一些测量应用需要在特定时间拍摄瞬态信号的快照，以便捕获某些关键事件。例如，保护继电器应用需要捕获瞬态故障电压，以便激活保护电路。在这种应用中，SAR 转换器是最佳选择，因为采样和保持输入将在精确的时刻捕获波形。而 delta-sigma 会在一段时间内对多个输入样本进行平均，这会引入延迟。 下图说明了 SAR 的快照操作和 delta-sigma 的平均。

当需要测量更高频率的交流信号时，可以使用宽带宽 delta-sigma 转换器或 SAR 转换器。不过需要注意的是，对于 delta-sigma 转换器，将包含具有更高延迟的宽带宽平坦通带滤波器。 延迟本质上是输入信号和数字化输出信号之间的延迟。delta-sigma 的型号只能在延迟时间不重要的应用中使用。例如，延迟可能不会影响音频、地震或医学成像应用。

下面，我们快速回顾导致延迟的原因。高延迟主要与宽带宽 delta-sigma 转换器有关。SAR 转换器不存在此问题，因为它们不包含数字滤波器。 该问题与平坦通带滤波器的实现有关，此滤波器具有许多延迟元件，每个延迟元件都会引入一个转换周期的延迟。典型的平坦通带滤波器可以具有 50 个或更多周期的延迟。

delta-sigma 转换器可以使用低延迟滤波器，但是，由于其通带衰减，这种低延迟类型的滤波器并不适合用于测量高频信号。因此，应用宽带宽 delta-sigma 转换器始终需要考虑延迟。

---

七、需要高带宽和低延迟的应用

在需要高带宽和低延迟的应用中，SAR 转换器是最佳选择。 需要低延迟的一些示例包括控制系统、安全继电器和位置传感器。基本上，任何需要对数字化输入信号做出即时响应的应用都应该使用 SAR。

到此完成了在 SAR 和 delta-sigma 转换器之间进行选择的决策树。在许多情况下，这两种类型的转换器都是可行的选择。那么如何选择呢？

---

八、尺寸、功耗和易用性等因素的考虑

需要考虑的一些因素包括整体解决方案尺寸、功耗和易用性。有时，高度集成的设备中的功能可能非常有用，但在其他情况下，它们会增加不必要的复杂性。如果想要一个非常简单的转换器，没有配置寄存器或其他功能，那么某些 SAR 转换器可能是一个不错的选择。

另一方面，有时集成功能可以消除对支持外围组件的需求。驱动放大器、电压基准和晶体振荡器会增加系统设计的面积、成本和复杂性。如果将它们集成在一起，将非常有帮助。有时，性能规格（如 SNR 或 THD）可能是关键决策标准。在某些情况下，ADC 可能已经集成到微控制器中，因此转换器拓扑是预先确定的。

---

九、总结

以上就是 SAR 和 delta-sigma 转换器的介绍和比较。上图总结了选型的三个关键要素。SAR 转换器主要用于捕获瞬态快照和低延迟很重要的 AC 应用。它也是小型通用转换器的不错选择。DC 优化的 delta-sigma 转换器可以具有非常高的分辨率和低噪声。这种转换器通常可用于 RTD 等低频传感器。宽带宽 delta-sigma 转换器可用于许多与 SAR 转换器相同的应用。但是，它们不能用于需要低延迟的地方。