深入理解積分型ADC

一、引言

作為電子工程師，我們在設計中常常需要將模擬信號轉換為數字信號，而積分型模數轉換器（ADCs）就是實現這一功能的重要手段之一。積分型ADC能夠提供高分辨率的模數轉換，并具備良好的噪聲抑制能力，常用于數字萬用表、面板儀表等應用中。接下來，我們就詳細探討這種轉換器的工作原理及其特性。

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二、積分型ADC概述

積分型ADC可以提供高分辨率的轉換結果，并且對電源頻率和噪聲有良好的抑制能力。自7106這類常見芯片問世以來，它已經存在了很長時間。其獨特的架構為將低帶寬模擬信號轉換為數字信號提供了一種直接有效的方法。這類轉換器通常內置LCD或LED顯示器驅動，廣泛應用于便攜式儀器，如數字面板表和數字萬用表。

三、不同架構的積分型ADC

單斜率ADC架構

單斜率ADC是積分型ADC中最簡單的形式。它將未知輸入電壓進行積分，并將積分值與已知參考值進行比較。積分器觸發比較器所需的時間與未知電壓成正比（TINT/VIN）。不過，這種架構的準確性依賴于積分器的R和C值的公差。在生產環境中，每個組件值的細微差異會改變轉換結果，使得測量的重復性難以保證。

雙斜率ADC架構

雙斜率ADC先對未知輸入電壓（VIN）進行固定時間（TINT）的積分，然后使用已知參考電壓（VREF）進行可變時間（TDEINT）的“反積分”。與單斜率架構相比，雙斜率架構的關鍵優勢在于最終轉換結果對組件值的誤差不敏感，因為積分周期中組件值引入的任何誤差都會在反積分階段被抵消。其計算公式為Vin × TINT = VREF × TDEINT ，即 (TDEINT = TINT timesleft(V{IN } / V{REF }right))。

為了獲得更高的分辨率，可以增加時鐘周期數，但這會增加轉換時間。雖然可以通過適度的電路更改來加快給定分辨率下的轉換時間，但所有的加速技術都會增加誤差預算。雙斜率轉換器存在許多潛在的誤差源，如電源抑制比（PSR）、共模抑制比（CMR）、有限增益、過電壓問題、積分器飽和、比較器速度、比較器振蕩、“翻轉”、介質吸收、電容器泄漏電流、寄生電容、電荷注入等。

多斜率積分型ADC

雙斜率架構的分辨率通常受誤差比較器速度的限制。對于20位轉換器，在1MHz時鐘下，轉換時間約為2秒，誤差比較器的壓擺率非常小，可能導致積分器超過觸發點，產生“殘差”。為了提高分辨率和減少轉換時間，可以先轉換前10位最高有效位，然后對殘差進行放大和再次反積分。實際讀數為（第一次反積分時間總和 × 210 ） - （第二次反積分時間總和 × 25 ） + （第三次反積分時間總和 × 20 ）。

四、積分型ADC架構深入分析

自動調零

在實際應用中，電路會存在隨時間和溫度漂移的失調。為了最小化這種影響，雙斜率轉換器采用自動調零階段。在自動調零期間，測量緩沖運算放大器、積分器和比較器的失調電壓，并將其存儲在外部電容器上，使積分周期從失調為零開始。

電源頻率抑制

雙斜率ADC的一個重要特性是對50/60Hz信號的抑制能力。如果積分周期正好為時間T，則所有N × 1/T的頻率理論上會被完全抑制。但由于積分器的有限擺幅和50/60Hz頻率本身的波動，實際的電源頻率抑制能力約為40 - 60dB。

誤差預算分析

雙斜率ADC的誤差預算包含多個方面。放大器需要具有高共模抑制比（CMR）、電源抑制比（PSR）和高有限增益。滿量程積分電流通常為20 - 100微安，這是低功耗和克服印刷電路板泄漏電流影響之間的折衷。比較器需要在一個時鐘周期的一小部分內對較小的信號做出響應，并且要盡量減少無意的滯后，以避免“翻轉”現象。通過短路輸入端子進行測量可以減少誤差，但會增加轉換時間。

外部組件

用戶需要為芯片提供一個用于將輸入電壓轉換為電流的電阻、一個積分電容器和一個自動調零電容器。這兩個電容器需要具有出色的介質吸收特性。積分電容器的模型顯示，它由高值的串聯R'C'組件與主電容器并聯組成，這種“記憶”效應會限制轉換器的精度、分辨率和階躍響應。

五、與其他ADC架構的比較

與逐次逼近寄存器（SAR）ADC比較

SAR和積分型架構都適用于低帶寬信號。SAR ADC的帶寬范圍更廣，能夠以低MHz的速度轉換信號，而積分型架構的采樣速度約為100樣本/秒。兩者的功耗都較低。積分型ADC在共模抑制和噪聲性能方面表現更好，能夠有效去除50Hz或60Hz等不需要的頻率，并且更容易轉換低電平信號。但積分型ADC需要更多的外部組件。

與Σ - Δ ADC比較

Σ - Δ ADC通過過采樣獲得非常高的分辨率，允許低MHz范圍內的輸入帶寬，具有出色的電源頻率抑制能力，并且可以轉換低電平信號。與積分型ADC不同，Σ - Δ ADC不需要外部組件，也不需要調整或校準。Σ - Δ轉換器通常提供16位到24位的分辨率，而積分型ADC的目標分辨率范圍是12位到16位。在12位級別，積分型ADC成本較低，而在16位時，Σ - Δ ADC也能提供低成本解決方案。

六、相關產品信息

Maxim Integrated提供了一系列相關的積分型ADC產品，如ICL7106、ICL7107、ICL7109等，這些產品都提供免費樣品。

七、總結

積分型ADC以其高分辨率和良好的噪聲抑制能力在低帶寬信號轉換領域具有獨特的優勢。不同架構的積分型ADC各有特點，在實際設計中需要根據具體需求權衡轉換時間、分辨率、誤差預算等因素。與其他ADC架構相比，積分型ADC在某些方面表現出色，但也存在一些局限性。作為電子工程師，我們需要深入理解這些特性，以便在設計中做出最佳選擇。大家在實際應用中是否遇到過積分型ADC的相關問題呢？歡迎在評論區分享。

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