深入理解积分型ADC

一、引言

作为电子工程师，我们在设计中常常需要将模拟信号转换为数字信号，而积分型模数转换器（ADCs）就是实现这一功能的重要手段之一。积分型ADC能够提供高分辨率的模数转换，并具备良好的噪声抑制能力，常用于数字万用表、面板仪表等应用中。接下来，我们就详细探讨这种转换器的工作原理及其特性。

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二、积分型ADC概述

积分型ADC可以提供高分辨率的转换结果，并且对电源频率和噪声有良好的抑制能力。自7106这类常见芯片问世以来，它已经存在了很长时间。其独特的架构为将低带宽模拟信号转换为数字信号提供了一种直接有效的方法。这类转换器通常内置LCD或LED显示器驱动，广泛应用于便携式仪器，如数字面板表和数字万用表。

三、不同架构的积分型ADC

单斜率ADC架构

单斜率ADC是积分型ADC中最简单的形式。它将未知输入电压进行积分，并将积分值与已知参考值进行比较。积分器触发比较器所需的时间与未知电压成正比（TINT/VIN）。不过，这种架构的准确性依赖于积分器的R和C值的公差。在生产环境中，每个组件值的细微差异会改变转换结果，使得测量的重复性难以保证。

双斜率ADC架构

双斜率ADC先对未知输入电压（VIN）进行固定时间（TINT）的积分，然后使用已知参考电压（VREF）进行可变时间（TDEINT）的“反积分”。与单斜率架构相比，双斜率架构的关键优势在于最终转换结果对组件值的误差不敏感，因为积分周期中组件值引入的任何误差都会在反积分阶段被抵消。其计算公式为Vin × TINT = VREF × TDEINT ，即 (TDEINT = TINT timesleft(V{IN } / V{REF }right))。

为了获得更高的分辨率，可以增加时钟周期数，但这会增加转换时间。虽然可以通过适度的电路更改来加快给定分辨率下的转换时间，但所有的加速技术都会增加误差预算。双斜率转换器存在许多潜在的误差源，如电源抑制比（PSR）、共模抑制比（CMR）、有限增益、过电压问题、积分器饱和、比较器速度、比较器振荡、“翻转”、介质吸收、电容器泄漏电流、寄生电容、电荷注入等。

多斜率积分型ADC

双斜率架构的分辨率通常受误差比较器速度的限制。对于20位转换器，在1MHz时钟下，转换时间约为2秒，误差比较器的压摆率非常小，可能导致积分器超过触发点，产生“残差”。为了提高分辨率和减少转换时间，可以先转换前10位最高有效位，然后对残差进行放大和再次反积分。实际读数为（第一次反积分时间总和 × 210 ） - （第二次反积分时间总和 × 25 ） + （第三次反积分时间总和 × 20 ）。

四、积分型ADC架构深入分析

自动调零

在实际应用中，电路会存在随时间和温度漂移的失调。为了最小化这种影响，双斜率转换器采用自动调零阶段。在自动调零期间，测量缓冲运算放大器、积分器和比较器的失调电压，并将其存储在外部电容器上，使积分周期从失调为零开始。

电源频率抑制

双斜率ADC的一个重要特性是对50/60Hz信号的抑制能力。如果积分周期正好为时间T，则所有N × 1/T的频率理论上会被完全抑制。但由于积分器的有限摆幅和50/60Hz频率本身的波动，实际的电源频率抑制能力约为40 - 60dB。

误差预算分析

双斜率ADC的误差预算包含多个方面。放大器需要具有高共模抑制比（CMR）、电源抑制比（PSR）和高有限增益。满量程积分电流通常为20 - 100微安，这是低功耗和克服印刷电路板泄漏电流影响之间的折衷。比较器需要在一个时钟周期的一小部分内对较小的信号做出响应，并且要尽量减少无意的滞后，以避免“翻转”现象。通过短路输入端子进行测量可以减少误差，但会增加转换时间。

外部组件

用户需要为芯片提供一个用于将输入电压转换为电流的电阻、一个积分电容器和一个自动调零电容器。这两个电容器需要具有出色的介质吸收特性。积分电容器的模型显示，它由高值的串联R'C'组件与主电容器并联组成，这种“记忆”效应会限制转换器的精度、分辨率和阶跃响应。

五、与其他ADC架构的比较

与逐次逼近寄存器（SAR）ADC比较

SAR和积分型架构都适用于低带宽信号。SAR ADC的带宽范围更广，能够以低MHz的速度转换信号，而积分型架构的采样速度约为100样本/秒。两者的功耗都较低。积分型ADC在共模抑制和噪声性能方面表现更好，能够有效去除50Hz或60Hz等不需要的频率，并且更容易转换低电平信号。但积分型ADC需要更多的外部组件。

与Σ - Δ ADC比较

Σ - Δ ADC通过过采样获得非常高的分辨率，允许低MHz范围内的输入带宽，具有出色的电源频率抑制能力，并且可以转换低电平信号。与积分型ADC不同，Σ - Δ ADC不需要外部组件，也不需要调整或校准。Σ - Δ转换器通常提供16位到24位的分辨率，而积分型ADC的目标分辨率范围是12位到16位。在12位级别，积分型ADC成本较低，而在16位时，Σ - Δ ADC也能提供低成本解决方案。

六、相关产品信息

Maxim Integrated提供了一系列相关的积分型ADC产品，如ICL7106、ICL7107、ICL7109等，这些产品都提供免费样品。

七、总结

积分型ADC以其高分辨率和良好的噪声抑制能力在低带宽信号转换领域具有独特的优势。不同架构的积分型ADC各有特点，在实际设计中需要根据具体需求权衡转换时间、分辨率、误差预算等因素。与其他ADC架构相比，积分型ADC在某些方面表现出色，但也存在一些局限性。作为电子工程师，我们需要深入理解这些特性，以便在设计中做出最佳选择。大家在实际应用中是否遇到过积分型ADC的相关问题呢？欢迎在评论区分享。

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