一種使用連續時(shí)間Σ-Δ型轉換器優(yōu)化信號鏈的新型方法

問(wèn)題：

為何應考慮使用CTSD ADC來(lái)改善我的信號鏈設計？

答案：

相比傳統架構，CTSD拓撲能夠優(yōu)化信號鏈。

當今許多應用要求小尺寸，同時(shí)保持同樣的性能。開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常面臨如何實(shí)現這一目標的問(wèn)題并且經(jīng)常要做出妥協(xié)。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)犧牲噪聲性能或精度來(lái)減小尺寸。本文探討使用連續時(shí)間Σ-Δ型(CTSD)轉換器優(yōu)化設計、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達到最佳效果，必須保證信號鏈中的所有元件配合出色。從傳感器到模數轉換器(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驅動(dòng)器、基準電壓源緩沖器和濾波器。尤其要注意的是，ADC驅動(dòng)器的選擇和濾波器設計通常是造成誤差的來(lái)源，但這兩項通常會(huì )被低估。

圖1 (A)離散時(shí)間ADC拓撲，(b)連續時(shí)間Σ-Δ型轉換器，(c) 通過(guò)開(kāi)關(guān)電容輸入級的電荷注入反沖

圖2 DTSD和CTSD的尺寸對比，顯示使用CTSD ADC可以明顯減小尺寸

優(yōu)化設計、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)，就可以直接驅動(dòng)ADC，無(wú)需將放大器用作緩沖器。此外，這種新拓撲還可以簡(jiǎn)化濾波器設計。圖1顯示傳統的離散時(shí)間ADC (DT-ADC)和CTSD轉換器之間的區別。與傳統設計相比，CTSD設計可以將尺寸縮減68%。

在傳統的DT-ADC（例如SAR ADC或Σ-Δ ADC）中，會(huì )使用開(kāi)關(guān)電容拓撲。ADC和參考輸入端就是這種情況。這會(huì )使“采樣”和“保持”兩個(gè)階段之間出現差分。它們分別對應“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(jiàn)圖1c）結束時(shí)穩定輸出，從而避免給目標信號帶來(lái)更多誤差。所以，對ADC驅動(dòng)器的要求非常高。

CTSD轉換器具有阻性輸入，可以直接由傳感器驅動(dòng)。如果傳感器無(wú)法驅動(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)現阻抗轉換。

CTSD還有一個(gè)優(yōu)勢，就是它本身具有抗混疊濾波器（低通濾波器）特性。傳統拓撲需要在輸入端使用低通濾波器來(lái)濾除高頻干擾信號。這是因為奈奎斯特準則要求采樣速率必須至少為所需信號頻率的2倍。如果采樣速率過(guò)低，可能會(huì )出現混疊，導致干擾噪聲進(jìn)入信號。對于CTSD轉換器本身的抗混疊濾波器特性，一種解釋是：采樣不是發(fā)生在調制器輸入端，而是發(fā)生在環(huán)路濾波器之后。

結論

CTSD拓撲為優(yōu)化信號鏈提供了傳統架構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)化許多設計。在許多應用中，可以無(wú)需使用ADC驅動(dòng)器、濾波器設計中的無(wú)源組件和基準電壓源緩沖器?！赌M對話(huà)》刊登了有關(guān)該主題的系列文章，詳細闡述了上述優(yōu)勢以及許多其他特性。

作者簡(jiǎn)介

自2017年4月至今，Benjamin Reiss一直在A(yíng)DI德國慕尼黑公司工作。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公司的培訓生項目后，他加入區域團隊，擔任現場(chǎng)應用工程師，為許多客戶(hù)提供支持。聯(lián)系方式：benjamin.reiss@analog.com。