引言

許多工業(yè)系統(tǒng)都需要以最高的準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)量關(guān)鍵性的參數(shù)。實(shí)例包括地震監(jiān)測(cè)、能源勘探、氣流感測(cè)和硅晶圓制造等。在每種場(chǎng)合中，這些系統(tǒng)均拓展了尖端信號(hào)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(hào)變換為數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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)。

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(duì)實(shí)際的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。模擬信號(hào)鏈路包括 ADC 和支持信號(hào)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(jí)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(jí)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(wú)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(jí)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(duì)于整體系統(tǒng)準(zhǔn)確度來(lái)說(shuō)，ADC 的線性度是最讓人關(guān)切的。ADC 線性度由模擬輸入信號(hào)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(jí)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(duì)于精準(zhǔn)型系統(tǒng)的總體準(zhǔn)確度是極為重要的。

突破性的性能

為了應(yīng)對(duì)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(jiǎn)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(wú)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(duì)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(hào)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(jiàn)長(zhǎng)，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(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。在沒(méi)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(zhǎng)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(cè)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(lái)完成單個(gè)轉(zhuǎn)換。

電路架構(gòu)

具 ppm 級(jí)保證線性度和準(zhǔn)確度的 LTC2378-20對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(jí)。