詳解類比半導體16~32bitsΣ-ΔADC全系產品在電子系統設計中，模數轉換器(ADC)是信號鏈設計中最重要的電子器件，屬于模擬芯片中難度較高的一部分，ADC也被稱為模擬電路皇冠上的掌上明珠。ADC主要用于將真實世界產生的模擬信號(如溫度、壓力、聲音、指紋或者圖像等)轉換成更容易處理的數字形式，是真實世界通往數字世界的橋梁，在工業、汽車、通訊、消費電子等領域有著非常廣泛的應用。根據Statistica數據，2021年全球ADC芯片的市場規模約為27.5億美元，2027年全球ADC芯片的市場規模將達到約40.9億美元。ADC芯片的主要下游需求為通信設備領域、汽車電子、工業、消費電子。隨著5G、人工智能、物聯網、汽車電子等新興領域所需的產品或技術對信號處理的需求(包括速度、精度、噪音等)增長迅速，市場對高精度ADC的需求將迎來迭代更新。一款優秀的ADC芯片體現在高精度、低功耗、高轉換率等指標上，這些指標又直接與產品內部的IP設計(參考源、PGA、調制解調器、接口、時鐘、傳感器等)以及系統架構和生產工藝息息相關。區別于模擬芯片，ADC屬于數模混合芯片，其設計復雜程度更高，產品的研發過程需要資深的模擬設計、數字設計、數字驗證、DFT、數字模擬后端以及測試架構、量產等多種類型人力資源的投入，對于尚不具備成建制開發團隊的中小芯片設計公司而言，進軍ADC芯片無疑是巨大的挑戰。由于ADC產品的技術壁壘高、開發難度大，ADC市場長期以來主要被歐美公司所把持，在國內中高端市場中占有相當高的比重，尤其是在高精度、高采樣率ADC領域基本無人撼動。但近年來國產化替代的大趨勢下，國產ADC芯片的市占率也在逐步提升。在中高端ADC領域，逐漸開始有國內半導體公司涉足。類比半導體擁有一批來自于國際頂尖半導體公司的工程師精英，公司自創建以來一直致力于高端信號鏈產品的開發，并量產了多款面向工業、通訊、醫療、汽車等市場的高品質芯片，填補了多項中高端信號鏈芯片在國內的空白。公司擁有模擬前端(AFE)、數據轉換器(ADC/DAC)、線性產品(運放、比較器、參考等)、電源管理、電池管理以及MCU等六大產品線，已量產芯片產品超過330顆，其中ADC系列產品覆蓋16bits~32bits超高精度，廣泛應用在新能源、汽車、傳感器、醫療、測試儀等領域。根據不同的應用場景，目前市面上的ADC產品主要有五種不同的設計架構：包括有Σ-Δ型、SAR逐次逼近型、Pipelined流水線型、Folding以及Flash&Half-Flash。其中，Σ-Δ型的采樣分辨率可高達32bits，主要應用于高精度數據采集，特別是傳感器、地震勘探儀、音頻系統、電子測量等領域。以下通過三種典型的應用場景來展示Σ-ΔADC的主要作用。01儲能系統電信號檢測當今儲能行業無疑是全球增長勢頭最強的行業之一，無論是工業大儲能、電站儲能、戶用儲能和汽車鋰電都呈現井噴式的增長。在典型的BMS系統中包含CSU(電芯監控)/BMU(電池管理)和BJB(接線盒)等單元，除了電芯電壓監控以外，在整個電池包系統里，需要檢測電池包電壓和電流/絕緣電阻、接觸器端電壓、繼電器粘連檢測、充電檢測等多個電信號檢測來實現整個鋰電池管理過程中的狀態監控、故障診斷和充放電管理。在儲能系統里，Σ-ΔADC扮演著重要角色。以絕緣電阻檢測為例，在汽車系統中，乘客與車身地直接接觸，而車身地與高壓電池組的回路是隔離的，這樣可以為了防止人員觸電。但是電動車在使用過程中，會出現諸如碰撞、零部件老化等情況，使整車高壓電池系統與車身地之間的絕緣出現異常形成漏電回路，如果被人接觸到會危害人的生命安全，情況嚴重時漏電回路產生的熱積累效應將造成車輛燃燒起火，所以動力電池的絕緣電阻檢測非常重要。Σ-ΔADC通過K1、K2、K3開關的切換，實現對電池組總壓和分壓電阻R2和R4上的電壓量測，從而計算出Pack+對地電阻Rx和Pack-對地電阻Ry，如下圖。其次，Σ-ΔADC可用于繼電器的粘連檢測。繼電器是控制電動汽車高壓電源通斷的核心部件，需要保證繼電器的正常工作，才能保證整車的安全運行。實際使用過程中因控制時序不合理、銅排線束接觸不良、繼電器本身質量不過關等問題，導致繼電器易出現粘連現象，直接導致整車高壓電源不受控，對整車的安全使用產生極大危害。繼電器的狀態受BMS(電池管理系統)控制，因此BMS對繼電器的控制和診斷顯得尤為重要。Σ-ΔADC的高分辨率和采樣率可滿足大部分電壓電流的檢測精度要求，實現對BMS系統里多個矢量點的檢測。此外，在對于電壓電流檢測有較高精度要求的儲能系統里，Σ-ΔADC配合高精度檢測電阻可以實現穩定的高精度電壓電流測量。02微弱信號的數據采集在眾多的測試測量中，工程師需要面對微弱信號的采集與分析，這些信號非常常見，例如小電流、生物化學反應、電磁場、光譜、輻射等自然界信號的微小變化。在檢測微弱信號時，往往需要將其他形式的信號轉化為電信號，尤其是電壓信號需要用到精密的傳感器，但由于微弱信號量級較低，且周圍存在著噪聲會對導致相對誤差較大甚至被噪聲淹沒，另外器件本身的影響也不可忽略，例如傳感器的溫度漂移、零點漂移、放大器的漂移失調等。在實際的電路測量中，微弱的直流信號更加容易受到直流或低頻噪聲的影響，因此直流微弱信號的檢測更是十分困難。此外，微弱直流電壓信號的檢測還容易受到各種低頻噪聲的干擾，所以微弱直流電壓信號的檢測相比于交流信號難度更大。Σ-ΔADC由Σ-Δ調制器和可編程數字濾波器組成，能夠為設計人員提供低噪聲測量，實現高精度、高效率的數據采集功能，因此常被用于微弱信號的數據采集系統中。03地震、油氣勘探等物探儀在能源勘探和地震監測等領域，需要檢測大動態范圍的信號，32bits高精度ADC動態范圍超過125dB，同時提供超低的失真THD，使得測量更加準確能源勘探使用人工激發的地震，通過檢波器將震動信號轉換為電信號，信號從直流到1kHz，幅度從1uVrms到數伏，ADC的噪聲需要小于系統中噪聲，最大量程范圍要覆蓋信號全范圍，因此超過一百萬倍的動態范圍，有利于監測地震和回波反射。不同地質結構反射強度不同，準確測量低失真的反射信號是測定界面深度和形態的必要條件，是勘探含油氣構造的主要方法，超低THD值為準確定位地質結構提供了有效的保障，使得測繪地層形態更加準確可信。類比16-32bitsΣ-ΔADC產品詳解類比半導體基于SemiDig平臺開發的Σ-ΔADC模數轉換芯片系列產品，覆蓋了16bits~32bits分辨率，數據輸出速率860SPS~128kSPS，目前已有60余款型號實現量產，包含低功耗、微噪聲、高線性度、多通道等不同特色的產品，可廣泛應用于不同精度的系統需求，滿足目前市面上大部分高精度ADC的需求。低功耗16bits~20bits多通道通用型Σ-ΔADC產品，主要針對工業及汽車電子應用領域，滿足不同通訊接口I2C、SPI、Daisy-Chain應用，典型代表產品為ADX1xx系列，主要型號包括ADX111(I2C)和ADX112(SPI)。ADX11x系列主要應用于對直流或低速信號的高精度檢測場合，可以實現電池的電壓/電流檢測、溫度或壓力信號的采集并應用在對功耗要求較高的手持類產品中，具有低功耗、高集成度、小體積、高精度、低成本等優勢。ADX1xx系列產品內部集成了低溫漂參考源、可編程增益放大器、數字比較器和時鐘源，采用2.0V至5.5V的電壓范圍供電，數據輸出速率可通過內部寄存器調節，內部的可調增益放大器可以接收從±256mV至±6.144V的模擬信號輸入，其最小分辨7.8125uV，內部的多路選擇器可以配置成接受2對差分或者4個單端模擬信號輸入。在前述的儲能系統中，ADX1xx系列產品所具有的16~20bits分辨率和最高7kSPS的數據輸出速率，可以滿足大部分電壓電流的檢測精度要求，支持兩組差分輸入或者四個單端輸入來實現BMS系統里多個矢量點的檢測，同時支持菊花鏈通訊，在需要多個ADC進行檢測時可以大幅減少通訊走線。ADX1xx系列產品內置高精度PGA可以實現1.5LSB的最大偏移誤差(Offseterror)和0.1%的最大增益誤差(GainError)，充分滿足高壓系統對電壓電流檢測較高的精度要求。此外，針對電池包的環境溫度變化幅度較大的特點，ADX1xx系列產品可以達到0.002LSB/℃的偏移漂移(OffsetDrift)和8ppm/攝氏度的增益漂移(GainDrift)，配合高精度檢測電阻則可以實現穩定高精度的電壓電流測量。ADX112產品內部集成了高精度溫度傳感器，可以檢測芯片附近的溫度(例如shunt電阻、觸點開關)來做溫度補償或者過溫報警功能，還可以配合熱電偶來檢測電芯溫度。目前ADX1xx系列產品已經在儲能、醫療、汽車、工業傳感器領域客戶中實現批量供貨。ADX5xx系列超低噪聲、高精度24bitsΣ-ΔADC，支持2通道、4通道和8通道模擬輸入，數據輸出速率高達60kSPS，具有23位無噪聲精度和3ppm的非線性度，廣泛應用于工業控制、測試測量、醫療等領域，尤其適用于微弱信號的數據采集系統。ADX5xx系列產品內置靈活的數字濾波器，不僅可以調整數據輸出速率，而且具備工頻50/60Hz抑制選項，能夠適應工業現場等電磁復雜的環境，并提供準確可靠的測量。從系統組成上來看，其由四階Σ-Δ調制器和可編程數字濾波器組成，數據輸出速率達到60kSPS。在應用該模數轉換器的過程中，其配置8路單端輸入或四路差動輸入，可以快速對多通道信號進行輪巡掃描。ADX82x系列32bitsΣ-ΔADC是類比半導體超高精度、超高分辨率ADC產品的代表之作。該系列產品擁有極低的噪聲和失真，動態范圍達到130dB@PGA=1,250SPS,諧波失真可以達到-135dB@250SPS，同時擁有出色的線性度表現。該產品內部集成雙通道多路復用器，可用于地震檢波器的信號測量和自檢信號的輸入;高性能數字濾波器提供靈活的配置，數據速率250SPS~4kSPS，片上內置緩存器，支持菊花鏈模式。此外，ADX82x增加了健康狀態自檢、數據傳輸CRC校驗、數字I/O短路保護、芯片偏移和增益快速校準以及超量程快速報警等功能，以此來增強產品的可靠性。ADX82x系列產品包含低功耗版本ADX820、高性能版本的ADX829和均衡版本ADX824，來滿足不同客戶的系統需求。目前，該系列產品已量產供貨。除上述三個系列Σ-Δ