ADI引領(lǐng)全球數據轉換器市場(chǎng)，重心仍在工業(yè)與儀器儀表應用

近日，阿德諾半導體公司(ADI)深圳媒體培訓交流會(huì )第二季在深圳召開(kāi)，ADI現場(chǎng)應用經(jīng)理章新明(Eagle Zhang)、技術(shù)業(yè)務(wù)經(jīng)理張松剛(Singer Zhang)分別主講了“高精度數據轉換器原理以及精確技術(shù)指標對系統的影響”和“數據轉換器在工業(yè)與儀器儀表領(lǐng)域的應用實(shí)例”兩個(gè)部分。

SAR ADC的結構、特性與重要指標

ADI技術(shù)專(zhuān)家章新明首先講解有關(guān)逐次逼近型ADC(SAR ADC)基礎知識，包括逐次逼近型模數轉換器的架構、算法、工作原理、逐次逼近型寄存器ADC的特點(diǎn)，以及轉換器的高級規格，包括ADC和DAC的重要直流規格、分辨率、增益誤差、失調誤差、微分非線(xiàn)性(DNL)、積分非線(xiàn)性(INL)等性能參數的概念和校正方法。

與Σ-Δ型ADC不同，SAR ADC是由一個(gè)比較器和DAC通過(guò)逐次比較邏輯構成，其轉換技術(shù)類(lèi)似于利用一個(gè)天平將一個(gè)樣本與一系列重量經(jīng)過(guò)校準的測試樣本進(jìn)行比較，通過(guò)增減測試樣本，利用分辨率誤差最小并輕于樣本的測試樣本來(lái)估算樣本的重量。其工作過(guò)程是從最大值MSB開(kāi)始，按順序地對每一位輸入信號(VIN)與內置高分辨率DAC輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數字值。

逐次逼近型寄存器ADC的特點(diǎn)（優(yōu)缺點(diǎn)）：1.逐次逼近型寄存器ADC結構簡(jiǎn)單。它使用低壓CMOS (<3V)，支持低功耗工作；2.常用于商業(yè)/工業(yè)及相關(guān)應用。中等分辨率（12 至16 位）；中等速度（100 kHz 至1 MHz）；3.ADC線(xiàn)性度高度依賴(lài)于內部DAC的精度。如果內部DAC不是單調遞增，那么ADC本身就會(huì )存在失碼。

判斷ADC和DAC的性能，主要指標包括如下六個(gè)：分辨率、增益誤差、失調誤差、微分非線(xiàn)性(DNL)誤差、積分非線(xiàn)性(INL)誤差和失碼。增益誤差和失調誤差，類(lèi)似于運算放大器誤差。失調誤差會(huì )引起輸入/輸出關(guān)系在水平方向發(fā)生偏移，而增益誤差會(huì )引起輸入/輸出關(guān)系發(fā)生旋轉偏移。失調誤差和增益誤差均可消除。

除了分辨率或精度問(wèn)題，另外兩個(gè)重要的靜態(tài)性能還包括微分非線(xiàn)性(DNL)和積分非線(xiàn)性(INL)。DNL和INL是兩個(gè)重要的直流指標，其測量方法主要是快速傅里葉變換。ADC的交流指標包括：信噪比(SNR)/信納比(SINAD)、有效位數(ENOB)、全功率帶寬(FPBW)、采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、高頻失真(THD)、交調失真(IMD)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。其中，信納比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍是最重要的兩個(gè)指標。

數據轉換器是信號處理必不可少的組成部分，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，運動(dòng)控制和過(guò)程控制都離不開(kāi)數據轉換器。對于運動(dòng)控制而言，電機運行的速度非?？?，宜選用SAR ADC進(jìn)行數據轉換；而對于慢速的過(guò)程控制，則通常選用Σ-Δ ADC來(lái)實(shí)現。對于電機控制，一般12位ADC就能滿(mǎn)足要求；對于電力系統智能電表的應用，則會(huì )用到14位、16位的ADC(電表動(dòng)態(tài)范圍為4000:1(0.01Ib~40Ib)時(shí)，12位精度是要求的底線(xiàn))。

ADI轉換器在工業(yè)領(lǐng)域中的主要應用

技術(shù)業(yè)務(wù)經(jīng)理張松剛主講ADI數據轉換器在工業(yè)與儀器儀表領(lǐng)域的應用實(shí)例。在A(yíng)DI 2011財年的30億美元營(yíng)收中，有超過(guò)三分之一是來(lái)自工業(yè)領(lǐng)域，遠超其他終端市場(chǎng)，其余依次是通信、消費電子、汽車(chē)以及健康醫療領(lǐng)域。ADI產(chǎn)品線(xiàn)按照規模依次是轉換器、放大器/RF、信號處理和MEMS、DSP、電源管理六大類(lèi)，貫穿整個(gè)信號鏈，其方案包括參考設計、SiP和SOC產(chǎn)品。

而在市場(chǎng)份額方面，在全球范圍內，ADI的數據轉換器市場(chǎng)份額高達49%，比其他幾家主要競爭對手的總份額加起來(lái)還要多。張松剛介紹說(shuō)，ADI的工業(yè)和儀器儀表部門(mén)涵蓋的領(lǐng)域非常廣，包括過(guò)程控制、電機控制、安防、儀器儀表、能源管理、樓宇技術(shù)、自動(dòng)化測試設備、軍工、航天等等。其中，工業(yè)自動(dòng)化（過(guò)程、電機、安防和建筑）、儀器儀表（分析、特殊類(lèi)）和能源（電力輸配、新能源、電表等）是ADI的三大主要市場(chǎng)。

張松剛闡述了過(guò)程控制、電網(wǎng)、儀器儀表、能源管理等領(lǐng)域的行業(yè)發(fā)展趨勢，以及ADI產(chǎn)品為應對行業(yè)新趨勢所帶來(lái)挑戰的應對之道。張松剛表示，憑借高性能高可靠的集成解決方案，ADI在眾多工業(yè)領(lǐng)域有著(zhù)大量的成功案例。比如，在中國的配輸電領(lǐng)域，ADI最先推出的AD7755計量芯片也是中國最早的智能電表的計量芯片，是目前唯一一顆單顆賣(mài)到2億顆的產(chǎn)品?，F在，ADI已經(jīng)在覆蓋全程高中低壓，著(zhù)重于輸配電領(lǐng)域。

從最早的AD7865到現在的AD7656、AD7606的，實(shí)際上反映了不同電力系統的拓撲結構不同的要求。四種拓撲結構的ADI產(chǎn)品在成本、噪聲特性、和效率上都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

四種電力系統拓撲結構和ADI產(chǎn)品

關(guān)于智能電網(wǎng)未來(lái)趨勢，張松剛表示，通訊是未來(lái)智能電表的發(fā)展方向。而在通訊方式上，不同地區會(huì )有不同選擇，日本、澳大利亞和美國關(guān)注的是RF無(wú)線(xiàn)，中國則更關(guān)注電力線(xiàn)載波，選擇何種技術(shù)主要取決于當地的住宅、樓宇等環(huán)境特性。ADI的RF電表方案在美國加州已經(jīng)得到普遍應用，在中國，由于競爭比較激烈，所以ADI的PLC方案主要還是集中在幾家大的電表公司采用。

在新能源領(lǐng)域，太陽(yáng)能逆變器的轉換技術(shù)是ADI的關(guān)注點(diǎn)。在智能電網(wǎng)的應用中，對110KV以上的輸電網(wǎng)應用而言，目前基本精度要求是12位轉換器，對于三相電網(wǎng)而言，要求16位多通道同步采樣轉換器。如ADI的AD7606就是16位8通道同步采樣轉換器，滿(mǎn)足高精度、多通道和高速轉換的要求。而對于66KV以下的配網(wǎng)而言，原先對轉換器的要求并不高，隨著(zhù)配送系統的復雜度的增加，現在則越來(lái)越向輸電網(wǎng)要求看齊。