引言

許多工業(yè)系統(tǒng)都需要以最高的準(zhǔn)確度來測量關(guān)鍵性的參數(shù)。實(shí)例包括地震監(jiān)測、能源勘探、氣流感測和硅晶圓制造等。在每種場合中，這些系統(tǒng)均拓展了尖端信號處理技術(shù)的界限并要求 ppm 的準(zhǔn)確度。此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)高度精細(xì)復(fù)雜，并內(nèi)置了寬動(dòng)態(tài)范圍傳感器、高階控制環(huán)路和最高性能的集成電路組件。
很多精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)的核心部分都是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。該 ADC 扮演著至關(guān)重要的角色，其負(fù)責(zé)把模擬信號變換為數(shù)字信號以進(jìn)行數(shù)字信號處理。ADC 的準(zhǔn)確度和性能常常決定了整體系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和性能。本文將討論突破性的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換性能是怎樣實(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn)確度和更低成本的新一代工業(yè)系統(tǒng)。
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精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)要求

精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)需要采用高分辨率 ADC 以對實(shí)際的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理。模擬信號鏈路包括 ADC 和支持信號調(diào)理電路 (例如：放大器、濾波器和基準(zhǔn))，通常需要具備卓越的 DC 規(guī)格指標(biāo) (例如：偏移、增益和線性度)。
為了實(shí)現(xiàn) ppm 級的分辨率和準(zhǔn)確度，許多精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)實(shí)施了數(shù)字校準(zhǔn)，旨在清除任何的系統(tǒng)級偏移和增益誤差。因此，系統(tǒng)準(zhǔn)確度經(jīng)常受限于那些無法利用偶爾校準(zhǔn)而加以抑制的誤差，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)師或許更加關(guān)注重要參數(shù)的潛在漂移，而不是其靜態(tài)值。例如：精準(zhǔn)型系統(tǒng)有可能不僅需要在某一固定溫度下?lián)碛?ppm 級的準(zhǔn)確度，而且還要求在很寬的工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低于ppm/°C 的漂移準(zhǔn)確度。
對于整體系統(tǒng)準(zhǔn)確度來說，ADC 的線性度是最讓人關(guān)切的。ADC 線性度由模擬輸入信號與 ADC 的內(nèi)部設(shè)計(jì)及架構(gòu)之間的復(fù)雜相互作用所決定。ADC 非線性誤差極其難以在系統(tǒng)級上進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)榇祟愓`差在各數(shù)字代碼之間差別迥異，而且還因?yàn)樗鼈兛赡苁菧囟鹊囊粋€(gè)強(qiáng)函數(shù)。整個(gè)溫度范圍內(nèi)的 ADC 線性度和穩(wěn)定性對于精準(zhǔn)型系統(tǒng)的總體準(zhǔn)確度是極為重要的。
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突破性的性能

為了應(yīng)對這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，一個(gè)新的 20 位 SAR ADC 系列提供了前所未有的性能和準(zhǔn)確度水平，從而簡化了高精度工業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。LTC2378-20 是一個(gè)引腳和軟件兼容型 SAR ADC 系列的旗艦產(chǎn)品，其具有高達(dá) 20 位的無漏失碼分辨率和高達(dá) 104dB 的信噪比 (SNR)，采樣速率范圍為 250ksps 至 2Msps。LTC2378-20 的 DC 精度尤其令人印象深刻：ADC 積分非線性 (INL) 誤差通常小于 0.5ppm，并且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi) (-40°C 至 +85°C) 保證小于 2ppm (對于所有代碼)。最大偏移誤差為 13ppm (具 0.007ppm/°C 漂移)，增益誤差為 10ppm (具 0.05ppm/°C 漂移)。這種異乎尋常的性能水平是在非常低的操作功耗下實(shí)現(xiàn)的，功耗范圍從 5.3mW (在250ksps) 到 21mW (在 1Msps)。每款器件都可提供小型 MSOP-16 封裝和 DFN-16 封裝。圖 1 匯總了這個(gè)新的 ADC 系列。

圖 1：完整的 20 / 18 / 16 位引腳兼容型 SAR ADC 系列

SAR ADC 的特性

SAR ADC 的特征是其在模擬輸入信號時(shí)獲得精準(zhǔn)瞬像以及在單個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)完成一項(xiàng)模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的能力。SAR ADC 以執(zhí)行異步 “啟動(dòng)并運(yùn)行” 操作見長，而且它們由于能夠在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)立即獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果而具備了簡單易用的特點(diǎn)。在沒有周期延遲的情況下產(chǎn)生準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換結(jié)果 (即使在經(jīng)歷了漫長的空閑周期之后也是如此) 的能力使得 SAR ADC 成為眾多精準(zhǔn)型應(yīng)用的理想選擇，包括傳感器、控制環(huán)路、數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化測試設(shè)備。其他類型的 ADC (例如：ΔΣ ADC 和流水線型 ADC) 則需要多個(gè)時(shí)鐘周期來完成單個(gè)轉(zhuǎn)換。

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電路架構(gòu)

具 ppm 級保證線性度和準(zhǔn)確度的 LTC2378-20對于許多精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)而言是一個(gè)具顛覆性的產(chǎn)品。LTC2378-20 采用一種專有架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此架構(gòu)可確保線性度并最大限度地減弱其對于溫度和其他工作條件變化的敏感性。因此，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保證了前所未有的 2ppm INL 規(guī)格指標(biāo)。
SAR ADC 算法基于二進(jìn)制搜索原理。把模擬輸入采樣至一個(gè)電容器，并與一個(gè)利用 SAR 算法選擇的基準(zhǔn)電壓之分?jǐn)?shù)進(jìn)行順序比較。SAR ADC 包括 3 個(gè)關(guān)鍵性組件：一個(gè)基于電容器的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器 (CDAC)、一個(gè)快速低噪聲比較器電路和一個(gè)逐次逼近寄存器。傳統(tǒng) SAR ADC 的 INL 性能有可能受限于 CDAC 中個(gè)別電容器的有限匹配準(zhǔn)確度，而且很多高精度 SAR ADC 均采用模擬或數(shù)字修整方法以改善匹配準(zhǔn)確度。然而，當(dāng)溫度變化以及施加封裝和電路板應(yīng)力時(shí)，CDAC 電容器匹配準(zhǔn)確度總是會(huì)下降，并有可能限制 ADC 的線性度。
通過運(yùn)用一種專有架構(gòu) (該架構(gòu)使得 INL 不受 CDAC 電容器失配的影響)，LTC2378-20 實(shí)現(xiàn)了其最先進(jìn)的 INL 性能，從而使其擁有了針對嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境中所存在的那一類溫度變化和封裝應(yīng)力效應(yīng)的出色堅(jiān)固性。此外，還對比較器電路進(jìn)行了謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)以平衡速度、功率和噪聲指標(biāo)，最終使 LTC2378-20 實(shí)現(xiàn)了前所未有的 104dB 信噪比 (SNR) 以及僅 21mW 的功耗 (在 1Msps)，且并未引入任何的周期延遲。SAR ADC 系列的 LTC2378-20 之功耗與采樣速率成比例，所以當(dāng)它們工作在 1ksps 時(shí)功耗僅為微瓦級。
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準(zhǔn)確度和速度

LTC2378-20 所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度水平以前只可通過使用速度低得多的 ADC 架構(gòu) (例如：ΔΣ ADC 或多斜率 ADC) 來獲得。高通道數(shù)自動(dòng)化測試設(shè)備常常采用這種慢速 ADC 架構(gòu)以完成高精度 DC 測量，并利用多路復(fù)用器以使單個(gè)儀表能夠服務(wù)于多個(gè)輸入。ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間通常可在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以犧牲速度來提高分辨率。不過，當(dāng)采樣速率高于 100ksps 時(shí)，測量分辨率常常被限制在 16 位以下。LTC2378-20 每秒能獲取百萬個(gè)讀數(shù)，每個(gè)讀數(shù)具有 2.3ppm 的噪聲分辨率 (噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差，104dB SNR)。可采用數(shù)字方式將同一模擬信號多個(gè)讀數(shù)的結(jié)果組合起來以改善噪聲分辨率，并產(chǎn)生超過多斜率 ADC 的性能。例如，通過對 10 個(gè)樣本塊進(jìn)行平均處理，LTC2378-20 實(shí)際上工作在 1Msps/10 = 100ksps 下，并具有一個(gè) 0.7ppm 的噪聲分辨率 (114dB SNR)。
ΔΣ ADC 和多斜率 ADC 可通過配置而在一個(gè)觀測 / 積分周期中對一個(gè)模擬輸入信號進(jìn)行平均處理，以抑制噪聲和干擾。通常采用一個(gè) 100ms 的觀測周期來同時(shí)抑制 50Hz 和 60Hz 線路頻率干擾，從而產(chǎn)生一個(gè)僅為 10sps 的吞吐速率。相應(yīng)地，當(dāng)采用一個(gè)多斜率 ADC 時(shí)，服務(wù)于 10 個(gè)多路復(fù)用通道將需要整整一秒鐘的時(shí)間。圖 2 示出了單個(gè)工作在 102.4ksps 采樣速率下的 LTC2378-20 ADC，其配置有一個(gè)多路復(fù)用電路，以在 100ms 的觀測周期內(nèi)同時(shí)測量所有 10 個(gè)信號 (交錯(cuò)式)。在保持與 100ms 觀測周期相對應(yīng)的線路頻率干擾抑制的同時(shí)，吞吐速率有所增加，增加倍數(shù)為復(fù)用通道數(shù) (這里是 10 倍，但還可以更高)，從而大幅度提高了自動(dòng)化測試設(shè)備的生產(chǎn)率。在此實(shí)例中，通過對在觀測周期中取自每個(gè)通道的 1024 個(gè)樣本進(jìn)行平均處理可增加噪聲分辨率，并提供 22 位的噪聲分辨率 (0.07ppm 或 70nVrms)。平均運(yùn)算可利用一個(gè)簡單的加法器 (用可編程邏輯或處理器可輕松實(shí)現(xiàn)) 來完成。因此，LTC2378-20 顯著提升了測量速度，同時(shí)保持了先前架構(gòu)的重要優(yōu)勢.

圖 2：LTC2378-20 配置為在 100ms 的觀測周期內(nèi)對 10 個(gè)模擬輸入同時(shí)進(jìn)行讀取和平均操作

由于單個(gè) LTC2378-20 器件有可能取代多斜率設(shè)計(jì)所需的多個(gè)分立組件，因而為平衡成本、電路板空間和通道數(shù)開辟了一個(gè)頗具價(jià)值的設(shè)計(jì)自由度。利用一個(gè)或多個(gè) LTC2378-20 ADC 來替代一個(gè)多路復(fù)用儀表可縮減系統(tǒng)尺寸、降低功率、減少解決方案成本、并使速度提升至比傳統(tǒng)方法高幾個(gè)數(shù)量級。此外，由于該器件能夠以高達(dá) 1Msps 速率工作于其本機(jī)模式，如充當(dāng)一個(gè)奈奎斯特 (Nyquist)? ADC，因此單個(gè) LTC2378-20 ADC 非常適用于那些有可能需要使用不止一種 ADC 的系統(tǒng)，比如：用一個(gè)多斜率 ADC 進(jìn)行高準(zhǔn)確度低噪聲測量，而用一個(gè) SAR ADC 來提高較低分辨率測量的速度。
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簡化并減少信號鏈路元件

使用高分辨率 ADC 能帶來一個(gè)有趣的好處：模擬信號鏈路的簡化。較高分辨率的 ADC 可降低甚至免除增設(shè)模擬信號調(diào)理功能塊的需要。由于模擬部件常常產(chǎn)生非線性、漂移和其他誤差源，因此它們的減少甚至免除將使最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)既更加簡單，也更加準(zhǔn)確。
寬動(dòng)態(tài)范圍傳感器通常與可變增益放大器配對使用，以在傳感器的整個(gè)輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的測量分辨率。例如：一個(gè)光學(xué)功率傳感器可能具有橫跨 6 個(gè)測量數(shù)量級 (從 nW 到 mW) 的可用范圍。傳統(tǒng)的方法是采用一個(gè)對數(shù)放大器把高動(dòng)態(tài)范圍信號調(diào)節(jié)至一個(gè)較低動(dòng)態(tài)范圍 ADC 的輸入范圍之中。增益在小輸入幅度時(shí)很高，并隨著輸入幅度的增加而滾降。這種方法的缺點(diǎn)是模擬對數(shù)功能部件會(huì)發(fā)生漂移，而且?guī)掚S輸入而變化。熱流量表是另一個(gè)傳統(tǒng)上需要可變增益的非線性傳感器實(shí)例。低熱流具有較高的靈敏度，因而導(dǎo)致測量指示需要較高的分辨率，而高熱流則具有較低的靈敏度和分辨率。LTC2378-20 在噪聲方面具有超過 5 個(gè)數(shù)量級的動(dòng)態(tài)范圍，而且它提供了 6 位級的 DC 準(zhǔn)確度 (1ppm)，這對于直接對此類信號進(jìn)行數(shù)字處理是足夠了。可采用數(shù)字信號處理方法來增加噪聲動(dòng)態(tài)范圍 (通過減小帶寬)，或?qū)崿F(xiàn)一種對數(shù)功能 (例如，數(shù)字代碼的簡單右移或左移)，或者補(bǔ)償傳感器的非線性。
采用可編程增益放大器 (PGA) 和步進(jìn)衰減器是在具有一個(gè)低分辨率 ADC 的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的其他方法。自動(dòng)量程電壓表即為一例；該儀表在其最靈敏的量程中啟動(dòng)，并在輸入超過低量程限值時(shí)立即切換至一個(gè)較高的量程 (通常大 10 倍)。不過，在切換量程時(shí)將出現(xiàn)中斷。理想的情況是：一個(gè)輸入量程的 100% 應(yīng)精確地等于下一個(gè)較大量程的 10%，但實(shí)際上始終存在著一定的誤差。同樣，LTC2378-20 出色的線性和動(dòng)態(tài)范圍特性允許將多個(gè)量程組合起來，從而消除了因切換量程而引起的中斷現(xiàn)象。
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控制系統(tǒng)

對于在混合模式控制系統(tǒng)中使用的 ADC 來說，延遲是一項(xiàng)重要的參數(shù)，因?yàn)檫^多的延遲有可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。雖然市面上有線性度達(dá) ppm 級的 ΔΣ ADC 銷售，但它們只能在具有低調(diào)節(jié)帶寬的非常低速之控制系統(tǒng)中使用。LTC2378-20 的無周期延遲特性與其卓越的線性度相結(jié)合，可造就速度快得多且高度準(zhǔn)確的成本效益型混合模式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案?？刂葡到y(tǒng)的調(diào)節(jié)帶寬與其噪聲帶寬有關(guān)，而且它只是影響控制系統(tǒng)整體噪聲之 ADC 噪聲的帶內(nèi)部分。LTC2378-20 可提供 104dB SNR，在 1Msps 的采樣速率下，這意味著其 22.5μVrms 的輸入?yún)⒖荚肼晫?yīng)一個(gè)僅? 31.5nV/√Hz 的噪聲功率頻譜密度 (PSD)。相應(yīng)地，當(dāng)應(yīng)用于一個(gè)具 10kHz 調(diào)節(jié)帶寬的 1Msps 控制系統(tǒng)時(shí)，帶內(nèi)噪聲僅為 31.5nV/√Hz * √10kHz = 3.2μV，對應(yīng)于一個(gè) 121dB 的動(dòng)態(tài)范圍。在該例中，3.2μV 的噪聲分辨率與由非線性引起的不確定性 (僅為 ±0.5ppm*10V = ±5μV) 大致相同。控制系統(tǒng)實(shí)際上在 1Msps/(2*10kHz) = 50 個(gè)樣本上進(jìn)行噪聲平均運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn) ppm 級的噪聲和線性性能。不管平均運(yùn)算是采用一個(gè)數(shù)字濾波器 (控制器) 來完成、抑或是采用某個(gè)用于限制帶寬的模擬系統(tǒng)組件來完成，都不會(huì)對性能造成影響。圖 3 示出了一個(gè)混合模式控制系統(tǒng)，其中的帶寬部分地受限于飛輪的慣性。

圖 3：混合模式控制系統(tǒng)

結(jié)論
精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)擁有了一種用于改善信號鏈路性能的新選擇。20 位 SAR ADC LTC2378-20 在高轉(zhuǎn)換速率 (1Msps) 和低功耗 (21mW) 下提供了前所未有的準(zhǔn)確度 (保證 INL 為 2ppm) 和低噪聲 (104dB SNR) 水平。高準(zhǔn)確度、低噪聲和無周期延遲特性的組合使 LTC2378-20 具有很高的通用性 (適合在高精度測量和控制系統(tǒng)中使用)，從而可實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確、靈活和具成本效益的新一代精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)。