高動(dòng)態(tài)范圍ADC：逐次逼近型抑或Σ-Δ型？

工業(yè)、儀器儀表和醫(yī)療設(shè)備中使用的高性能數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈需要寬動(dòng)態(tài)范圍和高精度。 通過(guò)增加可編程增益放大器，或者并聯(lián)使用多個(gè)ADC，然后利用數(shù)字后處理對(duì)結(jié)果進(jìn)行平均，可以提高ADC的動(dòng)態(tài)范圍，但受制于功耗、空間和成本，這些方法可能不切實(shí)際。 過(guò)采樣技術(shù)不僅能讓ADC以低成本實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍，而且解決了空間、熱和功耗設(shè)計(jì)方面的難題。

過(guò)采樣是以大幅高于奈奎斯特速率(兩倍信號(hào)帶寬)的速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，從而提升信噪比(SNR)和有效位數(shù)(ENOB)。 當(dāng)ADC過(guò)采樣時(shí)，量化噪聲會(huì)擴(kuò)展，使其大部分出現(xiàn)在目標(biāo)帶寬以外，從而增加較低頻率下的整體動(dòng)態(tài)范圍。 利用數(shù)字后處理可以消除目標(biāo)帶寬之外的噪聲，如圖1所示。 過(guò)采樣比(OSR)等于采樣速率除以奈奎斯特速率。 過(guò)采樣引起的動(dòng)態(tài)范圍增加量(ΔDR)可計(jì)算如下：ΔDR = log2(OSR) × 3 dB。 例如，對(duì)ADC進(jìn)行4倍過(guò)采樣可增加6 dB的動(dòng)態(tài)范圍或多提供1位分辨率。

圖1 . 奈奎斯特ADC過(guò)采樣

多數(shù)集成數(shù)字濾波器的Σ-Δ型ADC原本就可以實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣特性，調(diào)制器時(shí)鐘速率通常是信號(hào)帶寬的32到256倍，但對(duì)于需要快速切換輸入通道的應(yīng)用，可用的Σ-Δ型ADC很有限。 SAR型架構(gòu)沒(méi)有延時(shí)或流水線延遲，支持高速控制環(huán)路和輸入通道快速切換，并且其高吞吐速率也允許過(guò)采樣。

雖然這兩種ADC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能精確地測(cè)量低頻信號(hào)，但SAR型ADC的功耗與吞吐速率成正比，而Σ-Δ型ADC的功耗通常是固定的，相比之下，前者的功耗至少要低50%。 ADI公司的5 MSPS、18位SAR型ADC AD7960就是一個(gè)例子，它具有高吞吐速率和線性功耗變化特性。

放置在SAR型ADC之前的低通濾波器可使混疊最小，并能通過(guò)限制帶寬來(lái)降低噪聲。 Σ-Δ型ADC的高過(guò)采樣比和數(shù)字濾波器可最大程度地降低其模擬輸入端的抗混疊要求，過(guò)采樣則能降低整體噪聲。 為了提高靈活性，F(xiàn)PGA上也可以執(zhí)行定制數(shù)字濾波。

高性能SAR型ADC的低噪底和高線性度使其能夠提供更高的帶寬、高精度和較短時(shí)間窗口內(nèi)的離散采樣能力，滿足快速測(cè)量和控制應(yīng)用的要求。 高吞吐速率、低功耗和小尺寸則有助于設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)高通道密度系統(tǒng)中常見(jiàn)的空間、散熱、功耗及其他重要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 針對(duì)滿量程輸入信號(hào)，SAR型ADC還能提供最低的噪底，實(shí)現(xiàn)更高的SNR和出色的線性度，但與Σ-Δ型ADC不同的是，SAR型ADC無(wú)法抑制接近DC(50/60 Hz)的1/f 噪聲。

SAR型和Σ-Δ型ADC各有千秋，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)性能、速度、空間、功耗和成本要求進(jìn)行抉擇。