詳解類比半導(dǎo)體16~32bits Σ-Δ ADC全系產(chǎn)品

在電子系統(tǒng)設(shè)計中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是信號鏈設(shè)計中最重要的電子器件，屬于模擬芯片中難度較高的一部分， ADC也被稱為模擬電路皇冠上的掌上明珠。ADC 主要用于將真實世界產(chǎn)生的模擬信號(如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等)轉(zhuǎn)換成更容易處理的數(shù)字形式，是真實世界通往數(shù)字世界的橋梁，在工業(yè)、汽車、通訊、消費電子等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)Statistica數(shù)據(jù)，2021年全球ADC芯片的市場規(guī)模約為27.5 億美元，2027年全球ADC芯片的市場規(guī)模將達到約40.9 億美元。ADC 芯片的主要下游需求為通信設(shè)備領(lǐng)域、汽車電子、工業(yè)、消費電子。隨著5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子等新興領(lǐng)域所需的產(chǎn)品或技術(shù)對信號處理的需求(包括速度、精度、噪音等)增長迅速，市場對高精度ADC的需求將迎來迭代更新。

一款優(yōu)秀的ADC芯片體現(xiàn)在高精度、低功耗、高轉(zhuǎn)換率等指標(biāo)上，這些指標(biāo)又直接與產(chǎn)品內(nèi)部的IP設(shè)計(參考源、PGA、調(diào)制解調(diào)器、接口、時鐘、傳感器等)以及系統(tǒng)架構(gòu)和生產(chǎn)工藝息息相關(guān)。區(qū)別于模擬芯片，ADC屬于數(shù)模混合芯片，其設(shè)計復(fù)雜程度更高，產(chǎn)品的研發(fā)過程需要資深的模擬設(shè)計、數(shù)字設(shè)計、數(shù)字驗證、DFT、數(shù)字模擬后端以及測試架構(gòu)、量產(chǎn)等多種類型人力資源的投入，對于尚不具備成建制開發(fā)團隊的中小芯片設(shè)計公司而言， 進軍ADC芯片無疑是巨大的挑戰(zhàn)。由于ADC產(chǎn)品的技術(shù)壁壘高、開發(fā)難度大，ADC市場長期以來主要被歐美公司所把持，在國內(nèi)中高端市場中占有相當(dāng)高的比重，尤其是在高精度、高采樣率ADC 領(lǐng)域基本無人撼動。但近年來國產(chǎn)化替代的大趨勢下，國產(chǎn)ADC芯片的市占率也在逐步提升。在中高端ADC領(lǐng)域，逐漸開始有國內(nèi)半導(dǎo)體公司涉足。類比半導(dǎo)體擁有一批來自于國際頂尖半導(dǎo)體公司的工程師精英，公司自創(chuàng)建以來一直致力于高端信號鏈產(chǎn)品的開發(fā)，并量產(chǎn)了多款面向工業(yè)、通訊、醫(yī)療、汽車等市場的高品質(zhì)芯片，填補了多項中高端信號鏈芯片在國內(nèi)的空白。公司擁有模擬前端(AFE)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)、線性產(chǎn)品(運放、比較器、參考等)、電源管理、電池管理以及MCU等六大產(chǎn)品線，已量產(chǎn)芯片產(chǎn)品超過330顆，其中ADC系列產(chǎn)品覆蓋16bits ~32bits 超高精度，廣泛應(yīng)用在新能源、汽車、傳感器、醫(yī)療、測試儀等領(lǐng)域。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，目前市面上的ADC產(chǎn)品主要有五種不同的設(shè)計架構(gòu)：包括有Σ-Δ型、SAR逐次逼近型、Pipelined流水線型、Folding以及Flash & Half-Flash。其中，Σ-Δ型的采樣分辨率可高達32bits，主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集，特別是傳感器、地震勘探儀、音頻系統(tǒng)、電子測量等領(lǐng)域。以下通過三種典型的應(yīng)用場景來展示Σ-Δ ADC 的主要作用。

01儲能系統(tǒng)電信號檢測

當(dāng)今儲能行業(yè)無疑是全球增長勢頭最強的行業(yè)之一，無論是工業(yè)大儲能、電站儲能、戶用儲能和汽車鋰電都呈現(xiàn)井噴式的增長。在典型的BMS系統(tǒng)中包含CSU(電芯監(jiān)控)/BMU(電池管理)和BJB(接線盒)等單元，除了電芯電壓監(jiān)控以外，在整個電池包系統(tǒng)里，需要檢測電池包電壓和電流/絕緣電阻、接觸器端電壓、繼電器粘連檢測、充電檢測等多個電信號檢測來實現(xiàn)整個鋰電池管理過程中的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和充放電管理。在儲能系統(tǒng)里，Σ-Δ ADC扮演著重要角色。以絕緣電阻檢測為例，在汽車系統(tǒng)中，乘客與車身地直接接觸，而車身地與高壓電池組的回路是隔離的，這樣可以為了防止人員觸電。但是電動車在使用過程中，會出現(xiàn)諸如碰撞、零部件老化等情況，使整車高壓電池系統(tǒng)與車身地之間的絕緣出現(xiàn)異常形成漏電回路，如果被人接觸到會危害人的生命安全，情況嚴(yán)重時漏電回路產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)將造成車輛燃燒起火，所以動力電池的絕緣電阻檢測非常重要。Σ-Δ ADC通過K1、K2、K3開關(guān)的切換，實現(xiàn)對電池組總壓和分壓電阻R2和R4上的電壓量測，從而計算出Pack+對地電阻Rx 和Pack-對地電阻Ry，如下圖。

其次，Σ-Δ ADC可用于繼電器的粘連檢測。繼電器是控制電動汽車高壓電源通斷的核心部件，需要保證繼電器的正常工作，才能保證整車的安全運行。實際使用過程中因控制時序不合理、銅排線束接觸不良、繼電器本身質(zhì)量不過關(guān)等問題，導(dǎo)致繼電器易出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，直接導(dǎo)致整車高壓電源不受控，對整車的安全使用產(chǎn)生極大危害。繼電器的狀態(tài)受BMS(電池管理系統(tǒng))控制，因此BMS對繼電器的控制和診斷顯得尤為重要。Σ-Δ ADC的高分辨率和采樣率可滿足大部分電壓電流的檢測精度要求，實現(xiàn)對BMS系統(tǒng)里多個矢量點的檢測。此外，在對于電壓電流檢測有較高精度要求的儲能系統(tǒng)里，Σ-Δ ADC配合高精度檢測電阻可以實現(xiàn)穩(wěn)定的高精度電壓電流測量。

02微弱信號的數(shù)據(jù)采集

在眾多的測試測量中，工程師需要面對微弱信號的采集與分析，這些信號非常常見，例如小電流、生物化學(xué)反應(yīng)、電磁場、光譜、輻射等自然界信號的微小變化。在檢測微弱信號時，往往需要將其他形式的信號轉(zhuǎn)化為電信號，尤其是電壓信號需要用到精密的傳感器，但由于微弱信號量級較低，且周圍存在著噪聲會對導(dǎo)致相對誤差較大甚至被噪聲淹沒，另外器件本身的影響也不可忽略，例如傳感器的溫度漂移、零點漂移、放大器的漂移失調(diào)等。

在實際的電路測量中，微弱的直流信號更加容易受到直流或低頻噪聲的影響，因此直流微弱信號的檢測更是十分困難。此外，微弱直流電壓信號的檢測還容易受到各種低頻噪聲的干擾，所以微弱直流電壓信號的檢測相比于交流信號難度更大。Σ-Δ ADC由Σ-Δ調(diào)制器和可編程數(shù)字濾波器組成，能夠為設(shè)計人員提供低噪聲測量，實現(xiàn)高精度、高效率的數(shù)據(jù)采集功能，因此常被用于微弱信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

03地震、油氣勘探等物探儀

在能源勘探和地震監(jiān)測等領(lǐng)域，需要檢測大動態(tài)范圍的信號，32bits高精度ADC動態(tài)范圍超過125dB，同時提供超低的失真 THD，使得測量更加準(zhǔn)確能源勘探使用人工激發(fā)的地震，通過檢波器將震動信號轉(zhuǎn)換為電信號，信號從直流到1kHz，幅度從1uVrms 到數(shù)伏，ADC的噪聲需要小于系統(tǒng)中噪聲，最大量程范圍要覆蓋信號全范圍，因此超過一百萬倍的動態(tài)范圍，有利于監(jiān)測地震和回波反射。不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)反射強度不同，準(zhǔn)確測量低失真的反射信號是測定界面深度和形態(tài)的必要條件，是勘探含油氣構(gòu)造的主要方法，超低THD值為準(zhǔn)確定位地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了有效的保障，使得測繪地層形態(tài)更加準(zhǔn)確可信。

類比 16-32bits Σ-Δ ADC 產(chǎn)品詳解

類比半導(dǎo)體基于SemiDig平臺開發(fā)的Σ-Δ ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片系列產(chǎn)品，覆蓋了16bits~32bits分辨率，數(shù)據(jù)輸出速率860SPS~128kSPS，目前已有60余款型號實現(xiàn)量產(chǎn)，包含低功耗、微噪聲、高線性度、多通道等不同特色的產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于不同精度的系統(tǒng)需求，滿足目前市面上大部分高精度ADC的需求。

低功耗16bits~20bits多通道通用型Σ-Δ ADC產(chǎn)品，主要針對工業(yè)及汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，滿足不同通訊接口I2C、SPI、Daisy-Chain 應(yīng)用，典型代表產(chǎn)品為ADX1xx系列，主要型號包括ADX111(I2C)和ADX112(SPI)。ADX11x系列主要應(yīng)用于對直流或低速信號的高精度檢測場合，可以實現(xiàn)電池的電壓/電流檢測、溫度或壓力信號的采集并應(yīng)用在對功耗要求較高的手持類產(chǎn)品中，具有低功耗、高集成度、小體積、高精度、低成本等優(yōu)勢。

ADX1xx 系列產(chǎn)品內(nèi)部集成了低溫漂參考源、可編程增益放大器、數(shù)字比較器和時鐘源，采用2.0V至5.5V的電壓范圍供電，數(shù)據(jù)輸出速率可通過內(nèi)部寄存器調(diào)節(jié)，內(nèi)部的可調(diào)增益放大器可以接收從±256mV至±6.144V的模擬信號輸入，其最小分辨7.8125uV，內(nèi)部的多路選擇器可以配置成接受2對差分或者4個單端模擬信號輸入。在前述的儲能系統(tǒng)中，ADX1xx系列產(chǎn)品所具有的16~20bits分辨率和最高7kSPS的數(shù)據(jù)輸出速率，可以滿足大部分電壓電流的檢測精度要求，支持兩組差分輸入或者四個單端輸入來實現(xiàn)BMS系統(tǒng)里多個矢量點的檢測，同時支持菊花鏈通訊，在需要多個ADC進行檢測時可以大幅減少通訊走線。ADX1xx系列產(chǎn)品內(nèi)置高精度PGA可以實現(xiàn)1.5LSB的最大偏移誤差(Offset error)和0.1%的最大增益誤差(Gain Error)，充分滿足高壓系統(tǒng)對電壓電流檢測較高的精度要求。此外，針對電池包的環(huán)境溫度變化幅度較大的特點，ADX1xx系列產(chǎn)品可以達到0.002LSB/℃的偏移漂移(Offset Drift)和8ppm/攝氏度的增益漂移(Gain Drift)，配合高精度檢測電阻則可以實現(xiàn)穩(wěn)定高精度的電壓電流測量。ADX112產(chǎn)品內(nèi)部集成了高精度溫度傳感器，可以檢測芯片附近的溫度(例如shunt 電阻、觸點開關(guān))來做溫度補償或者過溫報警功能，還可以配合熱電偶來檢測電芯溫度。目前ADX1xx系列產(chǎn)品已經(jīng)在儲能、醫(yī)療、汽車、工業(yè)傳感器領(lǐng)域客戶中實現(xiàn)批量供貨。

ADX5xx系列超低噪聲、高精度24bits Σ-Δ ADC，支持2通道、4通道和8通道模擬輸入，數(shù)據(jù)輸出速率高達60kSPS，具有23位無噪聲精度和3ppm的非線性度，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、測試測量、醫(yī)療等領(lǐng)域，尤其適用于微弱信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

ADX5xx系列產(chǎn)品內(nèi)置靈活的數(shù)字濾波器，不僅可以調(diào)整數(shù)據(jù)輸出速率，而且具備工頻50/60Hz抑制選項，能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場等電磁復(fù)雜的環(huán)境，并提供準(zhǔn)確可靠的測量。從系統(tǒng)組成上來看，其由四階Σ-Δ調(diào)制器和可編程數(shù)字濾波器組成，數(shù)據(jù)輸出速率達到60kSPS。在應(yīng)用該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的過程中，其配置8路單端輸入或四路差動輸入，可以快速對多通道信號進行輪巡掃描。

ADX82x系列 32bits Σ-Δ ADC是類比半導(dǎo)體超高精度、超高分辨率ADC產(chǎn)品的代表之作。該系列產(chǎn)品擁有極低的噪聲和失真，動態(tài)范圍達到130dB @PGA=1,250SPS, 諧波失真可以達到-135dB @250SPS，同時擁有出色的線性度表現(xiàn)。該產(chǎn)品內(nèi)部集成雙通道多路復(fù)用器，可用于地震檢波器的信號測量和自檢信號的輸入;高性能數(shù)字濾波器提供靈活的配置，數(shù)據(jù)速率250SPS~4kSPS，片上內(nèi)置緩存器，支持菊花鏈模式。此外，ADX82x增加了健康狀態(tài)自檢、數(shù)據(jù)傳輸CRC校驗、數(shù)字I/O短路保護、芯片偏移和增益快速校準(zhǔn)以及超量程快速報警等功能，以此來增強產(chǎn)品的可靠性。

ADX82x 系列產(chǎn)品包含低功耗版本ADX820、高性能版本的ADX829 和均衡版本ADX824 ，來滿足不同客戶的系統(tǒng)需求。目前，該系列產(chǎn)品已量產(chǎn)供貨。除上述三個系列Σ-Δ ADC產(chǎn)品外，類比半導(dǎo)體還推出了ADX32x系列同步采樣24bitsΣ-Δ ADC產(chǎn)品，支持2/4/6/8通道，數(shù)據(jù)輸出速率為125SPS 到 16kSPS，可編程增益放大器為1/2/4/8/12/24。該系列產(chǎn)品在電池管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電池測試設(shè)備以及商業(yè)和住宅電表、儲能系統(tǒng)等場景中有著非常廣泛的應(yīng)用。目前，ADX32x系列已批量出貨，車規(guī)級雙通道型號ADX320Q/ADX3202Q已經(jīng)量產(chǎn)。此外，類比半導(dǎo)體多顆車規(guī)級Σ-Δ ADC也在陸續(xù)量產(chǎn)中，敬請期待。

審核編輯：湯梓紅

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