首先，讓我們探討一下集成式和獨立式ADC的性能權衡，然后我們可以確定如何為您的應用做出正確的選擇。

 

集成式ADC：性能權衡

 

工藝技術

 

讓我們從做集成ADC的設計的半導體集成電路（IC）工程師的角度來看ADC。由于ADC是MCU的外設，所以集成ADC設計者會傾向于使用MCU友好的工藝，比如小幾何28-nm工藝，它為MCU提供了良好的數(shù)字密度和高速晶體管。雖然小幾何工藝也可以減小ADC的尺寸，但這種方法有很大的折衷。

 

由于工藝成本大幅提高，ADC的相對成本將增加。

 

工藝上可用的元件尺寸將增加ADC的固有噪聲，特別是熱噪聲，或kT/C噪聲。

 

ADC設計中用于降低熱噪聲的較大電容將成為較小幾何工藝的重要設計限制（在較小幾何上實現(xiàn)模擬性能所需的元件在幾何上更具挑戰(zhàn)性）。

 

較小幾何尺寸的電容器將在設計中引入漏電和非線性。

 

匹配問題不像大幾何工藝（如90納米或180納米）那樣可控，將導致制造工藝缺乏控制，以及ADC參數(shù)性能的變化。

 

小幾何工藝的另一個挑戰(zhàn)是1/f噪聲。1/f噪聲在低頻時占主導地位，并且從dc開始大約以1/√(頻率)的系數(shù)下降。在較高的頻率下，白噪聲在一個稱為角頻率的點上開始主導1/f噪聲(圖1)。如果設計者想通過使用數(shù)字補償技術（如平均或過采樣）來提高性能，他們需要確保他們的采樣值只包含白噪聲而不是1/f噪聲。

 

 

1. 白噪聲是噪聲頻譜的平坦部分：1/f噪聲存在于較低的頻率，在角頻率處大約上升出白噪聲。

 

較小的幾何過程與較大的幾何過程的問題是，角頻率偏高--明顯偏高。這正是為什么數(shù)字濾波技術，如平均或過采樣，在高1/f角頻率的系統(tǒng)中不能提高系統(tǒng)性能。事實上，在某些情況下，數(shù)字濾波技術會降低系統(tǒng)性能。簡而言之，工藝的局限性將最終決定ADC的可實現(xiàn)性能(圖1，再次)。

 

IC布局

 

如果MCU被拼裝在ADC旁邊的IC上，ADC的模擬性能將受到以下影響：

 

快速開關的MCU將把開關噪聲和接地反彈引入電路，特別是由于尺寸縮小到IC的面積，使得問題成倍地難以解決。

 

時鐘同步和管理技術可用于將這些影響降至最低，但外設和異步事件的相互作用仍會影響ADC性能。

 

溫度

 

第三個挑戰(zhàn)是模擬性能的最大敵人之一：溫度。坐在ADC旁邊的MCU會像一個可變的溫度源，從高速有源電源（熱）到待機、睡眠或休眠（不那么熱）。這樣的溫度變化會導致電子電路（尤其是模擬電路）發(fā)生不好的事情。

 

為了在時變的溫度環(huán)境中實現(xiàn)可預測的性能，需要增加溫度補償電路。這就增加了系統(tǒng)的尺寸和成本，這是集成ADC難以承受的奢侈品。

 

測試成本

 

MCU是數(shù)字設備，因此，它們在數(shù)字測試平臺上使用數(shù)字測試矢量進行測試。數(shù)字測試方案經(jīng)過優(yōu)化，在最短的測試時間內(nèi)對數(shù)字參數(shù)進行測試，以在最少的時間內(nèi)通過最多的單元量。

 

如果這些數(shù)字測試平臺具有模擬測試能力，往往是有限的、低性能的模擬測試能力。這就使得測試平臺缺乏精度和噪聲，難以測試模擬性能的水平。這就是為什么MCU上模擬外設的規(guī)格通常是 "通過設計保證 "或 "通過特性化保證"。這些測試器的其他一些限制因素是：

 

它們通常只能測試模擬功能，或者說模擬在做什么，而且通常沒有能力準確測試模擬在溫度上的性能。

 

測試儀的限制隨后限制了ADC的性能規(guī)格（如果你的測試儀只有100-ksample/s、8位的能力，你就無法測試指定為1-Msample/s、12位ADC性能的器件）。

 

在數(shù)字測試平臺上增加精密模擬測試能力是不實際的。它需要增加一個數(shù)量級的測試成本，這將使器件成本有相應的增加。

 

獨立的ADC：性能權衡

 

工藝技術

 

對于獨立的ADC，由于ADC是主要元件，而MCU是ADC的外設，因此IC設計者可能會選擇使用對ADC友好的制程，如180納米制程，為ADC提供更大的匹配良好的元件。然而，這種工藝有一個基本的折衷，將限制ADC的性能。

 

通過使用更大的幾何工藝，設計者將不會擁有針對數(shù)字處理或串行通信的優(yōu)化工藝。相反，它將不得不依靠模擬設計和布局技術來確保數(shù)字性能。這種缺乏小數(shù)字密度和速度優(yōu)化的情況將增加器件的成本，數(shù)字性能將受到工藝的限制。

 

IC布局

 

在管理噪聲方面，獨立的ADC與集成ADC方式相比有兩個優(yōu)勢。

 

器件上的其他外設不會影響模擬性能。

 

開關噪聲可以得到管理，因為關鍵的模擬功能可以在時鐘安靜時執(zhí)行。

 

溫度

 

同樣，模擬性能的最大敵人是溫度，但獨立ADC在這種情況下比集成ADC更有優(yōu)勢，因為。

 

ADC旁邊沒有時間變化的溫度源（比如MCU）。

 

由于這個過程是模擬友好的，所以可以很容易地添加模擬友好的溫度補償電路，以盡量減少溫度變化的影響。

 

測試成本

 

ADC是模擬器件，因此要在模擬測試平臺上使用精密模擬設備進行測試。但是，這也有大大增加測試成本的因素。

 

與數(shù)字測試平臺不同的是，數(shù)字測試平臺在測試機之間有嚴格控制的變化，而模擬測試平臺往往在負載板、模擬信號發(fā)生器和模擬測量系統(tǒng)之間有很多變化。由于需要校準，這通常會增加測試成本。另外，為了保證模擬電路在溫度上的性能，模擬電路的補償技術通常需要在最終測試時進行溫度修整，以保證低溫漂移。

 

現(xiàn)在我們知道了混合信號和模擬的折衷，那么它們是如何影響準確度和精度的呢？

 

準確度和精度

 

準確度和精密度是兩個經(jīng)?；Q使用的術語，但它們的含義卻截然不同。準確度是指測量值與實際值相匹配的能力，在試圖測量一個特定的值時需要。精度是指測量值持續(xù)重現(xiàn)的能力，換句話說，是指測量的可重復性。測量的精度越高，就越能分辨出較小的差異。

 

例如，考慮一個體重秤。如果把1.000金衡盎司的金子放在秤上，測了三次，分別表示1.001、1.000和1.000，那么這就是高精度（0.0005-盎司標準差）和高精度（平均后誤差0.03%）。如果不同的秤得到的讀數(shù)是1.018、1.017和1.018盎司，那么這仍然算是精度高（0.0005-盎司標準差），但精度較低（1.8%的誤差）。

 

那么，精度和準確度哪個更重要呢？嗯，這取決于應用，但有很多情況下，精度和準確度都需要。

 

準確度

 

要確定您是否需要精度，首先要了解傳感器在您的應用中是如何使用的。讓我們考慮一個使用負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻進行溫度測量的例子。在NTC的電阻與溫度圖中，首先突出的是該器件的非線性（圖2）。

 

 

2. 熱敏電阻溫度特性曲線說明了對電阻變化的溫度響應。

 

如果設計者只需要在較低的環(huán)境溫度下測量NTC，那么可以使用較低分辨率的ADC。如果需要測量整個溫度范圍內(nèi)的溫度，那么必須考慮較高環(huán)境溫度下的最壞情況，這意味著要使用分辨率高得多的ADC。

 

要將其等同于系統(tǒng)精度，就要定義溫度范圍，并計算該范圍內(nèi)需要多少溫度精度。溫度范圍將被轉(zhuǎn)換為ADC的模擬電壓輸入范圍。精度將是應用所能容忍的測量模擬輸入的最小偏差。

 

精度

 

其次，考慮精度。理想情況下，精度需要優(yōu)于精度。如果在系統(tǒng)的反饋回路中使用溫度讀數(shù)，那么反饋回路應該非常穩(wěn)定。如果精度比準確度差，那么反饋環(huán)路可能會不穩(wěn)定。

 

ADC衡量精度和準確度的標準

 

影響精度的重要ADC規(guī)格是積分非線性、微分非線性、偏移、偏移漂移、增益和增益漂移。為了確定精度，需要評估這些誤差源的貢獻。同樣，精度由術語有效位數(shù)（ENOB）定義。它告訴你在一組ADC讀數(shù)中看到的與真實平均值的偏差。換句話說，您所獲得的68.3%（或與平均值的一個標準偏差）的ADC讀數(shù)將落在ENOB定義的范圍內(nèi)。

 

為了說明這一點，讓我們回到NTC的例子。假設NTC的輸出在整個溫度范圍內(nèi)校準為線性，在-40°C時給出0 V，在85°C時給出2.5 V，而我們希望以1°C的精度進行測量。因此，在125°C范圍內(nèi)的1°C精度就是整個范圍內(nèi)的0.8%精度。

 

假設我們有一個12位的ADC，總誤差為1 LSB，輸入范圍為2.5 V，那么從ADC測量的精度可以預期為1/4096或0.024%或2.5 V/4096位或610 µV/bit，這是所需精度的33倍。因此，從理論上講，一個12位ADC應該有足夠的精度來滿足這些要求。

 

現(xiàn)在讓我們仔細看看一個新發(fā)布的MCU內(nèi)的12位、400-ksample/s集成ADC的例子。

 

在其數(shù)據(jù)表中，總未調(diào)整誤差(TUE)規(guī)定為-40至85℃的±1.8%。一個6位ADC的總誤差為1LSB，其精度為1.6%，那么12位ADC的其他6位呢？不僅如此，誤差也可以是正的或負的--ADC的讀數(shù)可能有3.6%或90-mV的變化。在這種情況下，隨溫度變化而產(chǎn)生的大的增益誤差對降低精度有很大的貢獻。這種較大的精度誤差是工藝技術固有限制的副產(chǎn)品。

 

事實上，在閱讀集成ADC的數(shù)據(jù)表時要非常小心。在某些情況下，由于集成ADC的噪聲、漂移和集成電壓基準的性能差，集成ADC的數(shù)據(jù)表只規(guī)定了使用外部電壓基準的ADC性能，這就違背了使用集成模擬元件的目的。因此，在這種情況下，集成ADC的精度還不夠好，無法滿足我們0.8%的要求。

 

那么，集成ADC的精度呢？從精度規(guī)格來看，ENOB為11.1位，相當于2.5-V模擬輸入信號的分辨率約為1.1-mV。精度是其精度的80倍左右。其結果是，集成ADC的誤差為90.7 mV，精度約為1.1 mV rms。通過使用外部參考，可以提高集成ADC的精度。但是，由于ADC的指定方式，外部參考能提高多少精度性能還不得而知。

 

接下來，可以考慮獨立的ADC，比如Microchip Technology的MCP33141-10。

 

從這個12位、1-Msample/s的ADC的精度來看，計算TUE并與集成ADC進行比較。在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi)，TUE相當于±0.06%。這比集成ADC的精度高30倍，而且是在更寬的溫度范圍內(nèi)。在精度方面，獨立ADC的ENOB為11.8位，所以在這個例子中，獨立ADC的精度比它的精度好4倍左右。結果是，獨立ADC的誤差為2.9 mV，精度約為0.7 mV rms。

 

在這種比較中，集成式ADC和獨立式ADC的精度非常接近（見表）。然而，即使集成ADC的精度很高，也無法達到1%的精度要求。只有獨立的ADC能夠滿足NTC溫度傳感器的1℃或0.8%的溫度精度要求。

 

 

準確度和精確度的系統(tǒng)考慮

 

只看ADC的精度的問題是，它沒有考慮使用ADC的系統(tǒng)（或系統(tǒng)）中的變量。如果ADC是準確和精確的，那么ADC的輸出將在所有設備和所有條件下保持一致，而不是只對某一設備或某一條件保持一致。

 

因此，如果不需要系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或系統(tǒng)需要工作的所有條件之間的精度或一致性，那么使用集成ADC的優(yōu)勢在于降低復雜性、尺寸和價格。使用集成ADC的復雜性會更低，因為不需要開發(fā)軟件來連接外部ADC，也不需要考慮模擬和數(shù)字信號進出ADC的位置和路由。將ADC與MCU集成在一起，意味著整個電路板的面積也將更小。此外，具有集成ADC的MCU的價格通常低于MCU和獨立ADC的綜合價格。

 

但是，如果在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間或在系統(tǒng)需要工作的所有條件下都需要精度、準確度和一致性，那么在ADC的選擇上就要非常謹慎。不要做一個落入陷阱的設計者，認為器件變化會很小，可以用數(shù)字補償技術來補償不準確或不一致的模擬性能。請記住，由于工藝的固有限制，數(shù)字補償技術有可能降低系統(tǒng)的精度，同時增加復雜性。

 

另外，確保ADC和電壓基準不僅規(guī)定了精度，而且規(guī)定了溫度下的精度。如果ADC沒有指定溫度下的精度，那么工藝、制造、測試和溫度變化在系統(tǒng)中顯示為誤差的風險就很高。更糟糕的是，這些變化并不是確定的。一個設備可能具有顯著的正增益漂移，而另一個設備可能表現(xiàn)出顯著的負增益漂移。這些廣泛的變化可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

 

當在集成ADC和獨立ADC之間做出決定時，只是在成本、精度和性能的一致性之間做出選擇。一旦你定義了所需性能的精度或一致性，那么選擇就變得簡單了。

 

 

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