隨著IC技術(shù)在提高集成度方面不斷取得進(jìn)步，人們已經(jīng)開始利用一顆芯片來實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)，而不再像過去那樣采取在電路板上安裝分立元件的做法。此類系統(tǒng)的長處是系統(tǒng)成本下降、可靠性提高且外形尺寸減小。IC制造商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了諸如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器和溫度傳感器等部件與微控制器的集成，旨在構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。雖然模擬部件與數(shù)字部件的集成具有諸多好處，但是，在關(guān)鍵功能中使用純模擬芯片將會(huì)使性能得以提升。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

對(duì)于許多應(yīng)用來說，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種至關(guān)重要的單元式部件。它們的性能常常決定了系統(tǒng)的性能，而對(duì)于下一代產(chǎn)品來說，ADC技術(shù)的創(chuàng)新是必不可少的。來自溫度傳感器、應(yīng)變儀、壓力傳感器、血糖測量傳感器(這里僅列舉少數(shù)幾個(gè)例子)的精準(zhǔn)信號(hào)均需要高性能ADC。分辨率、噪聲、失調(diào)、漂移和線性度是決定ADC性能的參數(shù)。

過去，ADC無法滿足眾多精準(zhǔn)系統(tǒng)的性能要求。為了降低對(duì)ADC的要求，人們?cè)谳斎胄盘?hào)通路中增設(shè)了前端放大器。在ADC之前提供一個(gè)數(shù)值為100的外部增益將使ADC的噪聲、失調(diào)和漂移要求下降100(以輸入為基準(zhǔn))，但是需要進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬前端設(shè)計(jì)。由外部放大器引起的誤差將與輸入信號(hào)直接相加，這與所采用的增益無關(guān)。

12/16位ADC可以很容易地在復(fù)雜的數(shù)字芯片上使用。外部增益每倍增一次，這些轉(zhuǎn)換器的分辨率就可以增加1位(見圖1)。增設(shè)外部放大器帶來的一個(gè)問題是輸入范圍縮小。具有大失調(diào)(修正電壓)的信號(hào)有可能超出ADC的輸入范圍。對(duì)于性能非常高的系統(tǒng)來說，放大器設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。需要開關(guān)電容器(失調(diào)和1/f噪聲抵消)型架構(gòu)和低漂移外部電阻器。性能的優(yōu)劣取決于所用的放大器和電路板布局。

圖1：采用外部放大器來提高ADC的分辨率

作為替代方案，也可以采用具有20位或24位分辨率的ADC，從而避免了因使用外部放大器所導(dǎo)致復(fù)雜程度的增加。雖然一個(gè)直接加至24位ADC的50mV信號(hào)只使用了其可用輸入范圍的1%，但是，在這個(gè)微小的范圍之內(nèi)卻可以實(shí)現(xiàn)16位的精度。

采用傳統(tǒng)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)高于16位的ADC分辨率。例如：逐次逼近(SAR)型ADC的分辨率就取決于片內(nèi)精準(zhǔn)DAC的匹配。即使為了實(shí)現(xiàn)16位的分辨率，這種IC技術(shù)也需要采用片內(nèi)修整或校準(zhǔn)的方法。閃存、多級(jí)、流水線和循環(huán)型ADC都有這些局限性。

ΔΣ ADC實(shí)現(xiàn)了高分辨率

ΔΣ ADC依據(jù)的工作原理是過采樣(而不是元件匹配)，旨在實(shí)現(xiàn)高分辨率。把多個(gè)低分辨率轉(zhuǎn)換周期組合起來，以形成一個(gè)高分辨率結(jié)果。如圖2所示，通過一個(gè)1位ADC、一個(gè)1位DAC、一個(gè)模擬積分器和一個(gè)數(shù)字濾波器的組合，可獲得高于20位的分辨率。乍看起來，這種架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)似乎很簡單。1位DAC就是一個(gè)用于選擇GND或Vref的開關(guān)，1位ADC是一個(gè)比較器，數(shù)字濾波器是一個(gè)ROM和加法器，而積分器則可采用開關(guān)電容器和一個(gè)運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)。

圖2：簡單的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器

其明顯的簡單性以及對(duì)失配的耐受性導(dǎo)致人們把ΔΣ ADC與CPU和其他復(fù)雜的數(shù)字功能集成在單塊芯片上。雖然這種標(biāo)準(zhǔn)的單元法(cell approach)實(shí)現(xiàn)了單芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但是，因數(shù)字串?dāng)_所引發(fā)的問題致使許多設(shè)計(jì)師采用專用的ADC IC。

ΔΣ ADC的一個(gè)關(guān)鍵元件是積分器。該部件的性能決定了總體的噪聲、失調(diào)、功耗和分辨率。這個(gè)部件把一個(gè)運(yùn)算放大器和一個(gè)開關(guān)電容器網(wǎng)絡(luò)組合在一起。它能夠采用一組采樣電容器來同時(shí)執(zhí)行求和、D/A轉(zhuǎn)換和積分操作。

高分辨率ADC最重要的指標(biāo)之一便是噪聲。為了免除外部放大器，需要具有非常低的噪聲。例如：如需對(duì)取自一個(gè)典型標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載單元(10mV全標(biāo)度)的50,000個(gè)計(jì)數(shù)進(jìn)行測量，則ADC的噪聲電平必須優(yōu)于200nV。影響ΔΣ ADC噪聲性能的因素有多個(gè)。雖然架構(gòu)折衷決定了理論噪聲電平，不過，數(shù)字串?dāng)_的增加將導(dǎo)致噪聲性能的明顯劣化。

數(shù)字串?dāng)_降低了嵌入式ADC的性能

通常，集成電路的數(shù)字和模擬單元式部件(晶體管、電阻器和電容器)全部共用一個(gè)襯底。當(dāng)采用NWELL工藝時(shí)，該襯底由P型材料制成，并與芯片的地(最低的片內(nèi)電壓)相連。每當(dāng)執(zhí)行開關(guān)操作時(shí)，數(shù)字電路都將把電流注入該公共襯底。