一款8通道输入16位逐次逼近型模数转换器(ADC)研发设计

现状：
1.需求背景、现状：
①继电保护市场：从九十年代开始，继我国科研院所自主研发的微机型继电保护装置推出后，具有自主知识产权的电力自动化设备相继开发成功，电力自动化行业从此进入国产化时代，尤其在电网自动化领域，国产高压线路保护、调度自动化系统、变电站综合自动化等装置和系统迅速得到推广和应用。同时，国内的电力自动化企业也得到较快发展，产品品种增加、质量提升、企业规模扩张，出现了在行业内具有较强影响力和地位的企业，属于电力自动化行业的第一梯队的有国电南瑞、南瑞继保，国电南自、许继电气、北京四方等。第一梯队产品种类比较齐全，主要产品也集中于技术水平要求较高，利润率也较高的110KV以上电力自动化产品。
AD7606产品广泛应用继电保护装置，并且是核心器件。随着中美关系的不稳定，国产化需求的日益强烈。我司基于巨大的市场空间并且丰富的技术积累，开发该类产品无论是国家需求角度，还是市场角度均是值得开拓的市场。
下表是ADI、TI公司的近几年的产品销售表格：
型号 品牌 2020 2021 平均售价
AD7606BSTZ/AD7606BBSTZ ADI 1800000 2000000 $7.50
ADS8588SIPM TI 700000 1000000 $6.20
AD7616BSTZ ADI 1200000 1500000 $7.00
ADS8688 TI 800000 1000000 $4.00
ADS8686（2019） TI 10000 20000 $6.00
汇总 4510000 5520000
下表是国内主要客户群体的采购数据：
型号 行业 客户 年用量
AD7606B
电力 南瑞 500000
许继 100000
阳光电源 　
中车 40000
型号 　 客户 年用量
ADS8588SIPM 电力 南瑞 300000
阳光电源 33000
许继 30000
②电池化成客户：
近年来，我国电动汽车行业快速发展，保有量持续增长，渗透率也逐步提升。工信部公布的最新数据显示，中国的电动智能汽车在全球范围内已形成一定的先发优势，新能源汽车产销量连续六年位居全球第一。而“碳达峰”、“碳中和”双碳目标的发布，则为中国电动汽车行业开启了新一轮的“黄金时代”。
动力电池作为电动汽车最核心的部件，一致性仍是电池制造关键掣肘，电池制造过程中的化成分容是一个耗时的过程，涉及多次充电和放电以激活电池的化学性质，对于确保动力电池组的一致性、安全性和较长周期寿命的高质量来说尤为关键。
AD7606广泛应用于电池的恒压、恒流充放电过程中测量。下表是AD7606在国内主流客户群体中的采购量。
型号 行业 客户 年用量
AD7606 测试设备 御渡 30000
华峰测控 50000
精测 100000
精能 100000
杭可 300000

需解决问题：
国内公司普遍是基于ADI公司的AD7606进行开发替代。一是反向芯片，质量普遍存在问题。二是AD7606存在速率低的问题，在很多应用场景受限。LHA6958的开发对标ADI的AD7606B，从采样速率上由250kSPS 提升到了1MSPS；信号带宽增加了220kHz，对半导体设备的使用更加友好；同时增加了最大输入范围为12.5V选项，可以让测试设备无需外加运算放大器。软件增加了CRC校验，让通讯更加友好可靠。无论从速度还是性能来看，LHA6958都处于国内领先水平，完全自主知识产权，与ADI公司产品的技术水平不相上下。
LHA6958 采用大陆半导体的龙头企业SMIC作为代工厂，实现了硅测封全面的国产化目标。可以为电力客户彻底打消供应链安全的顾虑。

达到的指标：
①主要内容与目标
LHA6958是一款16位、同步采样、模数转换数据采集系统(DAS)，具有8个通道，每个通道均内置模拟输入箝位保护、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器和16位逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)。LHA6958还内置了灵活的数字滤波器、低漂移2.5 V精密基准电压源和基准电压缓冲器（用于驱动ADC）以及灵活的并行和串行接口。
LHA6958采用5 V单电源供电，当所有通道均以1 MSPS的吞吐速率采样时，支持±12.5 V、±10 V、±5 V和±2.5 V真双极性输入范围。输入箝位保护可承受高达±21V的电压。LHA6958具有1 MΩ模拟输入阻抗，当输入信号断开并通过10 kΩ外部电阻拉至地时，双极性零代码小于100 LSB。单电源操作、片内滤波和高输入阻抗使得应用时无需外部驱动运算放大器（需要双极性电源）。对于吞吐率较低的应用，LHA6958灵活的数字滤波器可用来改善噪声性能。
在硬件模式下，LHA6958与某主流型号完全兼容。在软件模式下，可以使用如下高级特性：
额外的±12.5 V、±2.5 V模拟输入范围。
模拟输入范围（±12.5V、±10 V、±5 V和±2.5 V），每个通道可选。
高带宽模式（220kHz）,每个通道可选
额外的过采样(OS)选项，最高OS×256。
每个通道的系统增益、系统失调和系统相位校准。
模拟输入开路检测器。
诊断多路复用器。
监控功能（串行外设接口(SPI)无效读/写、循环冗余校验(CRC)、过压和欠压事件、忙碌阻塞监控和复位检测）。
②关键技术
1）优化ESD输入结构和可编程增益放大器（PGA）的耐压范围，最大信号范围可以支撑±12.5V，进而简化测试机的电路架构设计。
2）高精度16位SAR模数转换器，优化ADC的电路结构，尤其是多通道的情况下，降低ADC的面积，同时不影响整体ADC的性能。
3）高精度16位ADC的校准算法，提高了ADC精度。同时优化算法实现方式，进而降低测试时间。
4）常压5V器件下，通过采用SCR的ESD保护结构，可以支持±21 V输入箝位保护，8 kV ESD
5）每通道ADC增加系统相位、失调和增益校准，让用户使用起来更加灵活方便。
③技术创新点：
1）高压ESD结构的实现，全新的SCR ESD保护架构
2）普通电阻存在电压系数，增加数字矫正算法，补偿由于电阻引入的二阶和三阶电压系数。进而提高ADC整个通道的线性度。
3）8通道同时集成，通道间容易产生明显的干扰。版图布局上增加了特殊隔离方式，避免了芯片衬底间的数字模拟信号的相互串扰。
④主要技术指标或经济指标。
指标 电学参数
最大输入范围 ±12.5V
ADC的信噪比 90dB
积分非线性 ±2LSB
微分非线性 ±0.5LSB
片上参考电压 4.096V