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ADI新器件揭示21世bte365纪SAR ADC架构发展方向

2019-10-15作者:七娃来源:体育网次阅读

    自从首款商业级真空管逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)在1954年由Bernard Gordon发明以来,SAR架构经历了悠久的发展历史。在过去几十年中,全世界的精密数据转换器设计厂商一直都在努力重改SAR ADC的架构,在这其中,功耗和尺寸是改动最大的两个参数。如果对2006和1996年生产的两款SAR转换器进行比较(见图1),我们不难发现,前者占用的PCB面积较后者减少了88%以上,而且每次转换消耗的能量减少了98%。此外,吞吐率和精度也在不断改进,不过目前提高的幅度还不太显著。

    ADI公司的AD7980产品是新一代SAR ADC中的代表,在精度和速度、功耗、性能等方面都有不俗的表现,非常适合于电池供电的便携式应用,例如病患监测设备和手持式数据采集系统。通过对该产品的分析,我们不难发现21世纪SAR ADC架构的发展方向。

    更高精度、更低功耗

    对那些转换速率适中,需要低功耗和高精度的信号处理应用来说,SAR ADC是最佳解决方案。SAR ADC架构可以在不产生流水线延迟的情况下对异步信号进行转换。此外,转换过程可在任何时候启动。正是这些特性使得SAR ADC在数据采集系统中流行开来。SAR ADC可提供分辨率(高达18bit)和吞吐率(几MSPS)的合理折中。这种参数组合使得SAR转换器易于用在具有多个转换器输入的多通道应用。

    1954年推出的SAR ADC在50 kSPS采样率下可提供11 bit的分辨率,并且消耗500瓦功率。与AD7980这款16 bit分辨率、1MSPS采样率并且仅消耗7 mW功耗的ADC相比,我们可以看到随着历史的推进,SAR ADC性能已经取得了巨大进步,并称为工业数据采集的最佳选择。

    亚微米CMOS工艺发挥作用

    早期SAR ADC架构使用DAC和激光工艺调节的薄膜电阻,能够达到双极性工艺所期望的精度和线性度。但令人遗憾的是,反馈电阻的自散热效应,会引发高分辨率转换器的线性误差,并且放置和调节薄膜电阻的工艺成本非常昂贵。由于薄膜电阻值易受封装机械压力的影响,因此产品的良率一直都是一个难以克服的问题。由于这些原因,开关电容器DAC成为最新基于CMOS工艺SAR ADC的规范。高精度的光蚀刻技术可以生产电容器的极板,所以PiP(聚乙烯-绝缘体-聚乙烯)电容器和MiM(金属-绝缘体-金属)电容器在无需进行激光调节的情况下,就可以提供优于电阻器的匹配。此外,电容器的温度特性也比电阻器更加稳定且线性性能更好。

F1:随着时间发展,16bit SAR ADC每次转换所消耗的能量和封装尺寸都在逐步降低。


F1:随着时间发展,16bit SAR ADC每次转换所消耗的能量和封装尺寸都在逐步降低。

    现代亚微米CMOS工艺,可在同一个硅裸片上同时实现高压器件(5 V、10 V以及40 V)和低压器件(2.5 V、1.8 V以及1.2 V)。这种灵活性允许集成电路设计工程师将SAR体系结构分隔为高压区域和低压区域。以AD7980为例,模拟输入采样电路可以采样5 V输入信号,同时其ADC内核的供电电压为2.5 V。维持较大的输入信号摆幅,可以最大程度提高信噪比(SNR),与此同时,2.5 V电源电压供电的大电流ADC内核,可以最大程度降低功耗并且提高转换效率。独立的逻辑电源允许串行接口与1.8V~5V之间的任何逻辑电平兼容,这种灵活性使得无需在ADC和控制器之间使用外部电平移动电路。

    ADI公司PulSAR架构的最大优势之一,就是其允许功耗与转换速度成线性比例的无源采样技术。AD7980每1 MSPS(每秒一百万次采样)消耗7mW功率,每10kSPS消耗0.07 mW功率。

    先进封装技术减小芯片占位面积

    高分辨率SAR ADC的积分非线性(INL)和差分非线性(DNL)取决于参考节点的质量,而且作为参考的去耦电容,越靠近内部电容DAC阵列越好。在过去几十年中,封装技术的改进显著减小了封装面积,从而使去耦电容器更接近于电容DAC。例如,引脚架构芯片级封装(LFCSP)借助封装体下的接触焊盘代替了外部引脚。封装尺寸通常是裸片尺寸的1.2倍。与其它封装类型的装配规则相比,简化的cavity clearance装配规则缩短了焊线,并且降低了串行自感应。减少SAR比特验证过程中参考节点上环路的做法,有助于快速建立内部电容器DAC。封装技术的下一步是晶圆级封装(WLP),这种技术利用置于裸片顶部的焊接点,将裸片与PCB连接在一起。该技术消除了焊线,并且缩短了敏感参考节点的长度,而且封装尺寸与裸片几乎同样大小,实现了真正的芯片级封装。

F2:ECG信号链的典型信号通道


F2:ECG信号链的典型信号通道

    超小裸片尺寸的一个缺点,就是限制了裸片上的焊盘数量。在这种情况下,用于电源、接地和参考源的外部引脚数量受到了限制,从而导致无法将数字的电源和地引脚与模拟的电源和地引脚分开。使用多条焊线将数字和模拟电源的焊盘连接到一个引脚,是下一步减少大量数字内容耦合到模拟域的最佳方案。由于这种策略非常有效,因此将电源去耦电容器放置到与封装引脚尽可能近的地方极其重要。

    降低功耗意味着,以1MSPS进行断电和上电转换时,温度上升的很不明显(AD7980增加0.7℃)。超小封装尺寸允许系统设计工程师将ADC放置在离传感器更接近的地方,但不会引起影响传感器性能的温度变化,从而使得系统的校正工作更加容易。此外,它还具有另一个附加又是,即降低了与长PCB布线有关的寄生效应。

    瞄准便携设备进行改进

    目前,在医学应用中可以看到许多低功耗、高分辨率SAR ADC的使用。由于当今ADC具有更低噪声、更低功耗和更小尺寸,因此可以使用更轻、更便携的健康监测设备提高患者的舒适度。图2所示的心电图(ECG)即是终端产品趋向于小型和便携式的应用。由ECG电极产生的信号,通常是带有较大交流共模分量(高达1.5V)的微小直流信号(高达10mV)。这些信号的频率范围从0.05 Hz到几百Hz。类似于AD7980的1MSPS ADC,这可能看起来过度损害了三种频率下的给定信号,但过采样可以解决这个问题。通过对AD7980过采样,可增加有效分辨率并且降低噪声。ADC分辨率的提高允许降低前端放大器的增益,从而也降低了来自这些电路级的噪声。

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