高動態(tài)范圍ADC：逐次逼近型抑或Σ-Δ型？

工業(yè)、儀器儀表和醫(yī)療設備中使用的高性能數(shù)據(jù)采集信號鏈需要寬動態(tài)范圍和高精度。 通過增加可編程增益放大器，或者并聯(lián)使用多個ADC，然后利用數(shù)字后處理對結果進行平均，可以提高ADC的動態(tài)范圍，但受制于功耗、空間和成本，這些方法可能不切實際。 過采樣技術不僅能讓ADC以低成本實現(xiàn)高動態(tài)范圍，而且解決了空間、熱和功耗設計方面的難題。

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

圖1 . 奈奎斯特ADC過采樣

多數(shù)集成數(shù)字濾波器的Σ-Δ型ADC原本就可以實現(xiàn)過采樣特性，調制器時鐘速率通常是信號帶寬的32到256倍，但對于需要快速切換輸入通道的應用，可用的Σ-Δ型ADC很有限。 SAR型架構沒有延時或流水線延遲，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采樣。

雖然這兩種ADC拓撲結構都能精確地測量低頻信號，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，并能通過限制帶寬來降低噪聲。 Σ-Δ型ADC的高過采樣比和數(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、高精度和較短時間窗口內的離散采樣能力，滿足快速測量和控制應用的要求。 高吞吐速率、低功耗和小尺寸則有助于設計人員應對高通道密度系統(tǒng)中常見的空間、散熱、功耗及其他重要設計挑戰(zhàn)。 針對滿量程輸入信號，SAR型ADC還能提供最低的噪底，實現(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)設計人員必須根據(jù)性能、速度、空間、功耗和成本要求進行抉擇。