在高精度模擬信號(hào)采集系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣過程會(huì)引入混疊、量化噪聲和電容反沖等問題。傳統(tǒng)解決方案通常依賴外部抗混疊濾波器和驅(qū)動(dòng)放大器來緩解這些問題，但隨之而來的復(fù)雜性、功耗增加以及相位失配問題又成為新的挑戰(zhàn)。

本文將介紹連續(xù)時(shí)間Σ-Δ（CTSD）ADC架構(gòu)，探討其如何通過內(nèi)在特性解決上述問題，從而簡化信號(hào)鏈設(shè)計(jì)、減少元件數(shù)量，并提升系統(tǒng)的整體性能與可靠性。

一、采樣機(jī)制與典型問題分析

ADC的采樣過程包括兩個(gè)核心步驟：時(shí)域離散化（采樣） 和 幅值離散化（量化）。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須至少為輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，否則會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊，導(dǎo)致信號(hào)失真。

此外，量化過程會(huì)引入量化噪聲，分布在奈奎斯特帶寬內(nèi)。為抑制混疊和降低量化噪聲影響，通常采用以下方法：

使用高階抗混疊濾波器（AAF）

引入過采樣技術(shù)

結(jié)合噪聲整形

對(duì)于傳統(tǒng)的逐次逼近寄存器（SAR）ADC和離散時(shí)間Σ-Δ（DTSD）ADC，這些措施雖有效，但也帶來了顯著的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，尤其是在中等帶寬、多通道或精密測量場景中。

二、CTSD ADC 架構(gòu)優(yōu)勢解析

CTSD ADC 是 Σ-Δ ADC 的一種變體，其核心區(qū)別在于采樣點(diǎn)位于反饋環(huán)路中的量化器之后，而非輸入端。這一結(jié)構(gòu)帶來以下關(guān)鍵優(yōu)勢：

固有混疊抑制能力
輸入信號(hào)在進(jìn)入量化器前先經(jīng)過環(huán)路濾波器處理，使得任何折返到帶內(nèi)的混疊信號(hào)也受到相同濾波器的影響。因此，無需使用外部抗混疊濾波器即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的混疊抑制效果。

阻性輸入特性
CTSD ADC 的輸入呈現(xiàn)為純阻性負(fù)載，消除了開關(guān)電容結(jié)構(gòu)帶來的電容反沖和建立時(shí)間問題，從而省去輸入驅(qū)動(dòng)放大器的需求。

恒定基準(zhǔn)輸入阻抗
基準(zhǔn)輸入同樣為阻性，避免了傳統(tǒng)ADC中因開關(guān)動(dòng)作引起的瞬態(tài)電流波動(dòng)，無需額外緩沖器，進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)。

低延遲信號(hào)鏈
因無需外部濾波器，整體信號(hào)路徑更短，延遲更低，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的閉環(huán)控制和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

出色的多通道相位匹配性能
多個(gè)CTSD ADC并行使用時(shí)，由于不存在復(fù)雜的外部濾波器，各通道間的相位誤差大大減小，非常適合振動(dòng)監(jiān)測、聲吶、電力測量等應(yīng)用。

三、CTSD 與 DTSD/SAR 架構(gòu)對(duì)比

從表中可見，CTSD ADC 在多個(gè)維度上優(yōu)于傳統(tǒng)架構(gòu)，尤其適合需要高精度、低延遲和緊湊布局的應(yīng)用場景。

四、AD7134：高性能 CTSD ADC 實(shí)例

ADI 推出的 AD7134 是一款支持直流至 400 kHz 輸入帶寬的高精度 CTSD ADC，具備以下關(guān)鍵特性：

集成異步采樣率轉(zhuǎn)換器（ASRC），支持靈活輸出速率配置

支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口（如 SPI）

提供高達(dá) 24 位分辨率和 100 dB SNR

內(nèi)部集成低漂移參考源和溫度傳感器

支持單電源供電，簡化電源管理

該器件特別適用于高密度多通道系統(tǒng)，如測試測量設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化儀表、振動(dòng)分析儀等。

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五、信號(hào)鏈簡化與面積節(jié)省

圖1和圖2展示了使用 CTSD ADC（如 AD7134）與傳統(tǒng) DTSD 架構(gòu)的信號(hào)鏈?zhǔn)疽鈭D和尺寸對(duì)比。結(jié)果顯示，在相同性能條件下，CTSD 方案可節(jié)省約70%的PCB空間，同時(shí)省去了抗混疊濾波器、驅(qū)動(dòng)放大器和基準(zhǔn)緩沖器等組件。

圖1

圖2

這種簡化不僅降低了物料成本（BOM），還提升了系統(tǒng)可靠性和生產(chǎn)一致性，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

六、總結(jié)

隨著工業(yè)自動(dòng)化、智能檢測和高精度測量需求的增長，傳統(tǒng)ADC架構(gòu)面臨的瓶頸日益凸顯。CTSD ADC 憑借其固有的混疊抑制、阻性輸入結(jié)構(gòu)、低延遲和高集成度，成為應(yīng)對(duì)中等帶寬、高精度應(yīng)用的理想選擇。

特別是像 AD7134 這類新型高性能 CTSD ADC 的推出，標(biāo)志著精密信號(hào)鏈設(shè)計(jì)正邁向更高效、更簡潔的新階段。對(duì)于工程師而言，這不僅意味著更低的設(shè)計(jì)門檻，也為系統(tǒng)優(yōu)化提供了更多可能性。