本應用筆記介紹了具有低功耗儀表放大器（INA）結構的逐次逼近寄存器模數轉換器（SAR ADC），該結構取代應變片檢測電路中的Δ-ΣADC，作為模擬前端。這不僅有助于實現更好的分辨率，而且可以節省電池電量并降低成本。

介紹

在精密信號調理和測量應用中，Δ-Σ型ADC通常優于SAR ADC，因為它具有高分辨率輸出和高度集成的內部模塊，如可編程增益放大器（PGA）或通用輸入輸出（GPIO）基準電壓源。然而，在某些情況下，三角積分ADC的高分辨率是不需要或無法實現的，其高功耗成為一個缺點。

讓我們以應變片傳感器為例，它可用于惠斯通電橋，將目標信號（壓力、負載、力等）轉換為幾毫伏范圍內的差分電橋輸出電壓。在這種情況下，將需要具有大增益的放大器作為模擬前端（AFE）。例如，要將具有10mV滿量程輸出的應變片傳感器連接到具有2.5V滿量程電壓的Δ-Σ型ADC，需要將PGA配置為具有250增益。這種高增益PGA給AFE增加了顯著的噪聲，將24位Δ-Σ ADC的有效分辨率降低到12位。除了降低分辨率外，固定的高過采樣率決定了Δ-Σ型ADC的電流消耗，而Δ-Σ ADC的電流消耗可能相當高，并導致電池壽命顯著縮短。由于內部電路的復雜性，Δ-Σ型ADC也承擔了大量成本。

這種方法的替代方案是SAR ADC與高增益INA相結合，可以消耗更少的功率，具有相似的分辨率，同時降低解決方案成本。每個SAR ADC都實現了兩相跟蹤和轉換結構。在跟蹤（數據采集）階段，SAR ADC消耗的功耗非常低，大部分功耗發生在轉換階段。這使得SAR ADC的功耗隨采樣速率而縮小。在應變片檢測電路中，數據采集速率可低至1000sps。在如此低的采樣速率下，一些SAR ADC消耗納瓦的功率。與集成PGA的Δ-Σ型ADC相比，與集成PGA的Δ-Σ型ADC相比，SAR ADC與低功耗INA一起可節省50%以上的功耗。與Δ-Σ型ADC一樣，SAR ADC的性能受到INA的限制。憑借現代高性能、低噪聲INA，SAR ADC能夠以有效的14至16位分辨率測量應變片檢測信號，其性能與24位Δ-Σ型ADC相似甚至更好。

總之，SAR ADC+INA結構是電池供電應變傳感器AFE的更好選擇，因為它具有相似的精度，降低了功耗和成本。在由電池供電的應用中，功耗始終是一個關鍵問題，系統設計工程師應考慮使用低功耗、低噪聲、高精度INA和SAR ADC，而不是傳統的Δ-Σ型ADC。

電路詳細說明

SAR ADC+INA的結構如圖1所示。惠斯通電阻電橋用于表示應變片檢測電路;RC濾波器放置在INA和SAR ADC之間。INA的差分輸入可以連接以直接橋接輸出。SAR ADC輸入應為單端或差分輸入，負輸入接地。

正如我們已經討論過的，INA的噪聲性能限制了SAR ADC的有效分辨率。例如，對于噪聲密度為100nV/和帶寬為3kHz的INA，INA輸入端的總帶寬噪聲為5.48μV有效值.當INA配置為3VADC輸入范圍的增益為100時，信噪比（SNR）為65.7dB。如果我們選擇噪聲密度為的INA 40nV/ ，信噪比為73.5dB。因此，40nV左右的噪聲密度。

足以實現11至12位分辨率。

為了節省更多功率，請注意INA和SAR ADC。對于INA，低靜態電流很重要。需要靜態電流低于 100μA 的 INA。正如我們已經討論過的，SAR ADC在較慢的采樣速率下消耗更少的功率。有許多SAR ADC具有此功能。我們的目標是使用電源電流范圍為10μA（包括AVDD和OVDD）的SAR ADC。因此，SAR ADC+INA的總電流消耗約為110μA。相比之下，目前市場上所有采用PGAS的Δ-Σ型ADC消耗的電流都超過300μA。

根據我們為此應用程序列出的要求找到合適的 INA 聽起來很容易，但是，當您進行研究時，您會發現選擇很少。功耗是瓶頸。由于噪聲性能相似，大多數INA在1mA范圍內消耗電流。

噪聲密度，PGA增益為100，功耗僅為65μA，可以構建這樣的電路。MAX41400的另一個特點是其可編程增益，在整個溫度范圍內保證增益誤差。傳統的INA通常使用單個外部電阻和兩個內部電阻來設置增益。雖然用戶可以使用不同值的外部電阻來調節增益，但外部元件總是會增加額外的增益誤差和增益漂移。使用內部電阻可提供最佳的精度和溫度范圍內的增益漂移。MAX41400在所有增益選項中的增益誤差低至0.05%，溫度漂移為5ppm/°C。它還提供多達 8 種不同的增益設置，并且可以即時更改。

圖1.SAR ADC+INA結構。

從工作臺測量

如前所述，SAR ADC+INA非常適合采用紐扣電池的應變片檢測應用，如自行車功率計。應變片傳感器安裝在曲柄臂上以測量其扭矩。現有解決方案使用具有內部128 PGA增益的24位Δ-Σ ADC。總有效分辨率為12位，功耗為305μA。我們用SAR+MAX41400組合取代了Δ-Σ型ADC，作為AFE。在工作臺上進行并完成實驗以比較性能。

我們使用3.2V鋰離子電池作為電源，為MAX41400、SAR ADC、基準電壓源和微控制器供電。我們使用信號發生器提供差分信號來表示應變傳感器輸出信號。微控制器向SAR ADC發送命令以啟動轉換，以1000sps的采樣率從SAR ADC收集數據。表 1 中列出了每個部分的功耗。

交流性能通過11Hz正弦波測試，幅度為27mV，MAX41400 PGA增益配置為100。ENOB 以不同的采樣率計算。

我們測試了兩種分辨率不同的SAR ADC，并在表3中總結了所有三種解決方案。比較電流消耗和有效分辨率。與Δ-Σ型ADC相比，帶有SAR ADC的MAX41400可以實現更有效的分辨率，并且具有更低的電流消耗。

結論

Δ-Σ型ADC以精密測量而聞名;然而，高增益PGA通常會限制其性能。INA與SAR ADC相結合，在功耗至關重要的情況下是更好的選擇。選擇正確的INA時需要小心。MAX41400具有低功耗、低噪聲和可編程增益，非常適合前端檢測。

審核編輯：郭婷