第2章 ADC基础原理：逐次逼近型(SAR)与Σ-Δ型ADC的工作原理与功耗特性对比

ADC选型这件事，我做了十几年还是觉得有意思。每次项目启动，硬件工程师总会问：到底用SAR还是Σ-Δ？这个问题没有标准答案，但搞懂它们各自怎么干活、怎么耗电，你就能自己判断了。

这一章，咱们就掰开揉碎，把这两种最主流的ADC架构讲清楚。我会结合自己踩过的坑，帮你建立直觉。

2.1 逐次逼近型ADC（SAR ADC）

SAR ADC，全称Successive Approximation Register。说白了，它就像一台天平。

你想想看：天平称东西，先放一个最大的砝码，太重了就换小的，太轻了就再加一个，直到平衡。SAR ADC就是这么干的——它用内部的DAC和比较器，一位一位地逼近输入电压。

2.1.1 工作原理

SAR ADC的核心工作流程，我习惯把它拆成三步：

1. 采样保持：开关闭合，采样电容充电，跟踪输入电压。断开后，电容上保持住这个电压。
2. 逐次比较：从最高位（MSB）开始，DAC输出参考电压的一半，比较器判断输入比它大还是小。结果决定这一位是1还是0。
3. 逼近完成：依次比较所有位，N位分辨率就需要N个时钟周期。最后输出二进制码。

举个例子，一个3位SAR ADC，参考电压是8V，输入是6.3V：

步骤	DAC输出	比较结果	该位值
第1位（MSB）	4V（8V/2）	6.3V > 4V	1
第2位	6V（4V+2V）	6.3V > 6V	1
第3位（LSB）	7V（6V+1V）	6.3V < 7V	0

最终输出：110（二进制），对应6V。误差0.3V，这就是量化误差。

2.1.2 功耗特性

SAR ADC最大的优势是什么？静态功耗极低。

它只在转换时才消耗动态电流，不转换时几乎不耗电。我做过一个电池供电的传感器节点，用的就是12位SAR ADC，采样率1kSPS，平均电流才2μA。这个数据在Σ-Δ上很难做到。

功耗公式可以简化成：

P_SAR ≈ C_total × V_ref² × f_sample

其中C_total是内部电容阵列的总容值，V_ref是参考电压，f_sample是采样率。注意，功耗和采样率成正比——你采得越快，耗电越多。

2.2 Σ-Δ型ADC

Σ-Δ ADC，名字听着吓人，其实原理不复杂。它用过采样和噪声整形两个绝招，把精度做到极致。

2.2.1 工作原理

Σ-Δ ADC的工作流程，我总结成四步：

1. 差分积分：输入信号和反馈信号（来自DAC）相减，然后积分。
2. 量化：比较器（1位量化器）判断积分器输出是正还是负，输出1位数据流。
3. 反馈DAC：根据量化结果，DAC输出一个模拟量，反馈到输入端。
4. 数字滤波：高速的1位数据流经过数字低通滤波器，变成高分辨率的数字输出。

这里有个关键点：Σ-Δ的采样率（f_s）远高于奈奎斯特频率。比如你要采集1kHz的信号，奈奎斯特频率是2kHz，但Σ-Δ可能用2MHz的采样率——这就是过采样。

过采样本身就能提高信噪比，每翻一倍采样率，SNR提高3dB。再加上噪声整形，把低频段的噪声推到高频段，然后被数字滤波器滤掉。这样一来，等效分辨率能做到16位、24位甚至更高。

2.2.2 功耗特性

Σ-Δ ADC的功耗，和SAR完全不是一个路子。

它需要一直运行调制器，即使不采样也在消耗动态电流。因为积分器、比较器、数字滤波器都是连续工作的。功耗公式大致是：

P_SD ≈ P_analog + P_digital

P_analog来自积分器和比较器，P_digital来自数字滤波器。这两部分都和过采样率（OSR）有关。OSR越高，数字滤波器越复杂，功耗越大。

我遇到过最典型的情况：一个24位Σ-Δ ADC，工作在10SPS时功耗是4mW，但换成1000SPS，功耗直接飙到15mW。而SAR ADC在同样采样率下，功耗可能只有几十μW。

2.3 SAR vs Σ-Δ：核心对比

我把两种架构的关键差异整理成一张表，方便你快速对比：

对比项	SAR ADC	Σ-Δ ADC
分辨率	8~16位	16~32位
采样率	1kSPS ~ 10MSPS+	10SPS ~ 1MSPS
功耗特性	与采样率成正比，静态功耗低	连续工作，功耗较高
延迟	1个转换周期	多个采样周期（数字滤波延迟）
噪声性能	中等，受比较器噪声限制	优秀，噪声整形后SNR高
面积	小，电容阵列+比较器	大，积分器+数字滤波器
典型应用	电池供电、传感器、电机控制	音频、精密测量、地震监测

2.4 知识结构图：两种ADC的决策路径

下面这张图，帮你理清两种架构的适用场景和核心权衡：

2.5 功耗对比实战：一个案例

说个我实际做过的项目。一个便携式气体检测仪，要求：

• 信号带宽：100Hz
• 分辨率：16位
• 电池：CR2032纽扣电池，容量220mAh
• 目标续航：6个月

我算了笔账：

方案A：SAR ADC（比如ADS8860）

• 采样率：200SPS（2倍奈奎斯特）
• 工作电流：0.5mA（转换时）
• 占空比：0.1%（200SPS / 200kSPS最大）
• 平均电流：0.5mA × 0.1% = 0.5μA
• 加上待机电流：约1μA
• 续航：220mAh / (1μA × 24h × 30天) ≈ 305天

方案B：Σ-Δ ADC（比如ADS1256）

• 采样率：100SPS
• 工作电流：4mA（连续工作）
• 占空比：100%（不能关断）
• 平均电流：4mA
• 续航：220mAh / (4mA × 24h) ≈ 2.3天

2.6 选型建议

最后，我把自己多年的选型经验浓缩成几条：

1. 采样率低于100SPS，需要24位以上精度：选Σ-Δ。比如温度测量、称重传感器。
2. 采样率在1kSPS~1MSPS，16位以内：选SAR。比如电机电流检测、电池监控。
3. 需要多通道同步采样：SAR更合适，每个通道独立转换，没有延迟。
4. 功耗是硬约束：无脑选SAR。Σ-Δ的低功耗模式通常还是比SAR高一个数量级。
5. 信号噪声极低：Σ-Δ的噪声整形能力是SAR比不了的。比如地震监测、心电信号。