SAR ADC vs. Sigma-Delta ADC：模拟工程师的左右手
开篇：鱼和熊掌，如何兼得？
各位好，我是老张，一个在模拟电路这行摸爬滚打了三十多年的老兵，也是B站上那个分享硬核知识的UP主。今天咱们聊聊模数转换器（ADC）里的两员大将：SAR ADC（逐次逼近型ADC）和 Sigma-Delta ADC（Σ-Δ ADC）。
想象一下，你现在要设计一个高精度的数据采集系统，比如一个新型的智能体重秤。你既希望它能快速地给出读数，又希望它足够精确，能分辨出几克甚至更小的重量变化。同时，你还希望它省电，最好用一节纽扣电池就能用一年。问题来了，你是选SAR ADC呢，还是Sigma-Delta ADC呢？这两种ADC就像鱼和熊掌，各有千秋，选择哪个，还真得好好掂量掂量。
核心原理对比：猜数字游戏 vs. 水库蓄水
SAR ADC：一锤定音的快枪手
SAR ADC的工作原理，我们可以用一个“猜数字”游戏来类比。假设你要猜一个1到100之间的数字，SAR ADC就像一个聪明的猜数字高手，它不会一个一个地试，而是采用“二分法”：
- 先问： “这个数字比50大吗？”
- 根据回答： 如果大了，就问“比75大吗？”，如果小了，就问“比25大吗？”
- 以此类推： 每次都将范围缩小一半，直到猜出正确的数字。
SAR ADC内部有一个数模转换器 (DAC) 和一个比较器。它通过逐次逼近的方式，将模拟输入电压与DAC的输出电压进行比较，最终确定数字输出。这种方式的优点是速度快，就像快枪手一样，一锤定音。
Sigma-Delta ADC：积少成多的老学究
Sigma-Delta ADC的工作原理则完全不同，它更像一个“水库蓄水”的过程。它通过一个积分器，将输入信号进行累积，然后通过一个比较器，判断累积的结果是大于还是小于某个阈值。如果大于阈值，就从水库中放掉一些水，如果小于阈值，就继续蓄水。这个过程不断重复，最终，通过统计放水的次数，就可以得到输入信号的平均值。
Sigma-Delta ADC的核心在于“过采样”和“噪声整形”。简单来说，就是用远高于奈奎斯特频率的采样率进行采样，并将噪声能量推到高频段，然后通过一个低通滤波器，滤除高频噪声，从而提高信噪比。这种方式的优点是精度高，就像老学究一样，积少成多。
性能指标对比：分辨率、速度、功耗，一个都不能少
| 指标 | SAR ADC | Sigma-Delta ADC |
|---|---|---|
| 分辨率 | 通常为8位到18位 | 通常为16位到24位甚至更高 |
| 采样速率 | 可达数Msps甚至更高 | 通常在数kHz到数Msps之间 |
| 功耗 | 较低 | 较高 |
| 线性度(DNL/INL) | 相对较好，但DNL可能在某些码字处较大 | 线性度极好，DNL/INL通常非常小 |
| 典型应用 | 高速数据采集、图像传感器、控制系统 | 音频编解码器、高精度测量仪器、工业控制 |
分辨率：姜还是老的辣
在分辨率方面，Sigma-Delta ADC 绝对是YYDS。它的过采样和噪声整形技术，能够有效地提高信噪比，从而实现更高的分辨率。例如，在高精度电子秤中，我们需要测量非常小的重量变化，这时候，Sigma-Delta ADC就成了不二之选。再比如，在音频codec中，我们需要还原高质量的音频信号，也需要高分辨率的ADC。
采样速率：天下武功，唯快不破
在采样速率方面，SAR ADC则更胜一筹。它的逐次逼近原理，决定了它能够实现更高的采样速率。例如，在高速数据采集卡中，我们需要快速地采集数据，这时候，SAR ADC就成了首选。另外，在图像传感器中，我们也需要高速的ADC，才能捕捉到清晰的图像。
功耗：省电才是硬道理
在功耗方面，SAR ADC通常比Sigma-Delta ADC更低。这主要是因为SAR ADC的电路结构相对简单，而且不需要过采样。在电池供电的便携式设备中，例如无线传感器网络节点，SAR ADC的低功耗优势就显得尤为重要。
线性度 (DNL/INL)：细节决定成败
DNL (Differential Non-Linearity)，差分非线性，指的是ADC实际的量化阶距与理想的量化阶距之间的差异。如果DNL过大，就可能导致ADC出现“丢码”现象，即某些数字输出码永远不会出现。INL (Integral Non-Linearity)，积分非线性，指的是ADC实际的转移函数与理想的转移函数之间的最大偏差。如果INL过大，就可能导致ADC的测量结果出现较大的误差。
SAR ADC的DNL在某些码字处可能会比较大，尤其是在2的整数次幂附近。这主要是由于SAR ADC内部的DAC的权值电阻存在误差。例如，在图像传感器中，如果DNL过大，就可能导致图像出现明显的条纹。Sigma-Delta ADC的线性度通常非常好，DNL和INL都非常小，这主要是由于它的过采样和噪声整形技术能够有效地抑制非线性误差。
应用场景对比：各有所长，物尽其用
- SAR ADC： 高速数据采集、图像传感器、控制系统。
- Sigma-Delta ADC： 音频编解码器、高精度测量仪器、工业控制。
当然，在实际应用中，我们还需要根据具体的需求进行权衡。例如，在低功耗无线传感器网络中，如果对精度要求不高，但对功耗要求非常严格，那么可以选择低功耗的SAR ADC。如果对精度要求很高，但对功耗要求相对宽松，那么可以选择Sigma-Delta ADC。
避免同质化：一些容易被忽视的细节
校准技术：精益求精，更上一层楼
在实际应用中，我们可以通过校准技术来提高ADC的精度。例如，可以通过测量ADC的零点误差和增益误差，然后对测量结果进行修正。一些高端的ADC芯片，甚至集成了自动校准功能，能够自动地消除误差。
驱动电路设计：好马配好鞍
ADC的驱动电路设计对ADC的性能有很大的影响。例如，如果驱动电路的输出阻抗过高，就可能导致ADC的采样保持时间不足，从而影响ADC的精度。因此，在设计ADC的驱动电路时，需要仔细考虑各种因素，例如驱动能力、带宽、噪声等等。
抗混叠滤波：亡羊补牢，犹未晚矣
抗混叠滤波在ADC应用中至关重要。根据奈奎斯特采样定理，为了避免信号混叠，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。然而，在实际应用中，信号中往往存在高于奈奎斯特频率的成分。如果不进行滤波，这些高频成分就会被混叠到低频段，从而影响测量结果。因此，在ADC之前，必须加入抗混叠滤波器，滤除高于奈奎斯特频率的成分。
总结与展望：长江后浪推前浪
SAR ADC和Sigma-Delta ADC是两种各有优缺点的ADC。SAR ADC速度快、功耗低，适合高速数据采集和电池供电的便携式设备。Sigma-Delta ADC精度高，适合高精度测量和音频应用。在实际应用中，我们需要根据具体的需求进行选择。
未来的ADC发展趋势是更高速度、更高精度、更低功耗。一些新兴的ADC架构，例如时间交织ADC，正在逐渐走向成熟，相信在不久的将来，我们能够看到更多性能更优异的ADC芯片。
好了，今天的分享就到这里，如果大家觉得有用，记得点赞、收藏、投币三连哦！咱们下期再见！
模拟工程师的头发，真的是越来越少了啊… (手动狗头)