Benjamin Reiss

當(dāng)今的許多應(yīng)用需要更小的外形尺寸，但仍需要相同的性能。開發(fā)人員經(jīng)常面臨如何實現(xiàn)這一點的問題，并經(jīng)常妥協(xié)。例如，可以通過犧牲噪聲性能或精度來減小外形尺寸。本文探討了使用連續(xù)時間Σ-Δ（CTSD）轉(zhuǎn)換器作為優(yōu)化設(shè)計并降低物料清單（BOM）成本和外形尺寸的新方法。

為了實現(xiàn)所需傳感器或信號的最佳良率，信號鏈中的所有元件必須完美協(xié)調(diào)。從傳感器到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通常使用幾個分立元件。除傳感器和ADC外，還經(jīng)常使用儀表放大器、ADC驅(qū)動器、基準電壓緩沖器和濾波器。選擇合適的ADC驅(qū)動器和濾波器設(shè)計尤其容易被低估。

優(yōu)化設(shè)計、降低BOM成本和外形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)換器以及緩沖器和無源元件。利用這種新的CTSD技術(shù)，可以直接驅(qū)動ADC，而無需使用放大器作為緩沖器。此外，新的拓撲結(jié)構(gòu)可以簡化濾波器設(shè)計。圖1顯示了傳統(tǒng)分立時間ADC（DT-ADC）和CTSD轉(zhuǎn)換器之間的差異。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，CTSD設(shè)計可將外形尺寸縮小多達68%。?

圖1.（a） 分立時間 ADC 拓撲，（b） 連續(xù)時間 Σ-Δ 轉(zhuǎn)換器，以及 （c） 通過開關(guān)電容輸入級的電荷注入反沖。

圖2.DTSD 和 CTSD 外形尺寸的比較，顯示通過 CTSD ADC 可以明顯節(jié)省成本。

在傳統(tǒng)的DT-ADC中，例如SAR ADC或Σ-Δ型ADC，使用開關(guān)電容拓撲。這可在ADC和基準輸入上找到。區(qū)分“采樣”和“保持”兩個階段。它們對應(yīng)于“保持”電容器的充電和放電。因此，必須提供足夠的電流用于充電和放電以及由于寄生特性（電荷注入反沖）引起的電荷吸收。許多傳感器無法提供如此高的電流，因此需要緩沖。除此功能外，驅(qū)動器還必須足夠快（建立時間短，壓擺率高），以便建立“采樣”階段結(jié)束時的輸出（見圖1c），以便不會在所需信號中引入其他誤差。因此，對ADC驅(qū)動器的要求非常高。

CTSD轉(zhuǎn)換器具有阻性輸入，可由傳感器直接驅(qū)動。如果傳感器無法驅(qū)動ADC（例如，如果傳感器具有非常高的阻抗），則可以插入一個簡單的放大器進行阻抗轉(zhuǎn)換。

CTSD的另一個優(yōu)點是固有的抗混疊濾波器（低通濾波器）特性。對于傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，輸入端需要低通濾波器來濾除不需要的高頻信號。其原因是奈奎斯特準則，該準則規(guī)定采樣率必須至少是所需信號頻率的兩倍。如果采樣率太低，可能會出現(xiàn)混疊，并且不需要的噪聲可能會折疊到信號中。CTSD轉(zhuǎn)換器固有的抗混疊濾波器特性的一種解釋是，采樣不是在調(diào)制器輸入端發(fā)生，而是在環(huán)路濾波器之后發(fā)生。

結(jié)論

CTSD拓撲結(jié)構(gòu)為優(yōu)化信號鏈提供了傳統(tǒng)架構(gòu)之外的進一步新可能性。此外，如果上市時間、BOM或外形尺寸起著重要作用，那么AD4134等ADC是不錯的選擇。由于其阻性輸入和固有的濾波器特性，可以使用它們簡化和優(yōu)化許多設(shè)計。在許多應(yīng)用中，可以省去ADC驅(qū)動器、濾波器設(shè)計的無源元件和基準電壓緩沖器。

審核編輯：郭婷