用16位ADC取代低性能嵌入式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

當(dāng)今的電子產(chǎn)品總是希望尺寸越小越好。從占據(jù)整個(gè)房間的服務(wù)器系統(tǒng)到能方便地裝進(jìn)衣服口袋的消費(fèi)電子產(chǎn)品，設(shè)計(jì)師們不斷尋求實(shí)現(xiàn)最小的外形尺寸，在更小的空間中實(shí)現(xiàn)更多的功能。能夠讓完整的比同類方案小 10% 到 20% 的設(shè)計(jì)師有更大的機(jī)會(huì)贏得設(shè)計(jì)訂單。纖巧的集成電路是從大到小各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

這類便攜式和空間受限的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中包括電源、微控制器、、、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等電路。專用集成電路()中已經(jīng)納入了很多上述功能，取得了不同程度的成功。設(shè)計(jì)師在空間、性能和成本之間進(jìn)行平衡取舍時(shí)，一個(gè)可能影響測(cè)量效果的環(huán)節(jié)是模數(shù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)師們常常使用微控制器和集成式 ADC或較低分辨率的 ADC 和前置電路。

測(cè)量便攜式和空間受限設(shè)計(jì)的溫度、電壓、電流和信號(hào)時(shí)，ADC 發(fā)揮著關(guān)鍵作用。嵌入式微控制器中的 ADC 有一個(gè)主要問題，線性度、偏移誤差、噪聲等關(guān)鍵直流性能規(guī)格常常沒有保證、未經(jīng)過測(cè)試甚至未列出。盡管微控制器的方框圖顯示，內(nèi)部有一個(gè)12 位逐次逼近寄存器(SAR)ADC 或一個(gè) 16 位增量累加 ADC 可選，但是設(shè)計(jì)師們卻要猜測(cè)其真正的性能有多好。

當(dāng)今的微控制器內(nèi)核集成了多種功能，包括數(shù)字時(shí)鐘、器、存儲(chǔ)器和幾百個(gè)寄存器。就確實(shí)含有 ADC 的微控制器而言，瀏覽冗長的數(shù)據(jù)表以確定 ADC 的性能是一個(gè)艱巨的任務(wù)。

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室以后，獲得好的 ADC 性能可能同樣艱巨。一個(gè)“16 位 ADC”用起來也許更像是一個(gè) 10 位或 12 位 ADC。ADC 的地和負(fù)基準(zhǔn)電源一般來自與微控制器其余部分共用和噪聲較大的基片。由于這些微控制器以數(shù)字優(yōu)化工藝制造，沒有為測(cè)量模擬信號(hào)而優(yōu)化，因此 ADC 的性能常常是事后考慮的。在微控制器內(nèi)部，沒有為實(shí)現(xiàn)良好 ADC 性能而進(jìn)行最佳布線。不幸的是，ADC 和其余電路共享一個(gè)公用的硅基片。

采用超纖巧封裝的 16 位 ADC

凌力爾特公司提供的一個(gè)新 ADC 系列使設(shè)計(jì)師有可能不必在空間、性能和成本之間進(jìn)行選擇。16 位的 LTC2450 采用 2mm×2mm DFN 封裝，手工設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)卓越的直流模擬信號(hào)測(cè)量性能。LTC2450 的線性度、偏移誤差和增益誤差都經(jīng)過測(cè)試，在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)有保證。這個(gè) ADC 使得取代微控制器的嵌入式 ADC 很容易，而且?guī)缀醪徽加酶嗟碾娐钒蹇臻g。

圖 1 所示是一個(gè)典型的印刷電路板，上面裝有 、電源、微控制器和分立組件。利用這些組件的典型應(yīng)用包括光網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)采集單元、服務(wù)器和很多設(shè)計(jì)。LTC2450 的 4mm2尺寸使它無需挪動(dòng)周圍電路就能進(jìn)行準(zhǔn)確的 ADC 測(cè)量，如測(cè)量溫度、電流、電壓或氣流等值。

圖 1 2mm x 2mm ADC LTC2450 用于空間受限應(yīng)用

雖然尺寸纖巧，但是 LTC2450 的增量累加 ADC 內(nèi)核具有 16 位無漏碼性能。積分非線性誤差(INL)的典型值為 2 LSB(最大值為 10 LSB)，增益誤差最大值為 0.02%，這兩個(gè)值在整個(gè)工業(yè)溫度范圍內(nèi)(-40℃至 +85℃)是有保證的。

LTC2450 的 DFN 封裝上有 6 個(gè)引腳，包括：

*電源(VCC)，偏置該 ADC 的內(nèi)部構(gòu)件，用作該 ADC 的正基準(zhǔn)電壓；

*輸入電壓連接(VIN)；

*地電源(GND)，用作模擬和數(shù)字地以及該 ADC 的負(fù)基準(zhǔn)電壓。

*3 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳，一個(gè)串行時(shí)鐘輸入引腳(SCK)，一個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出引腳(SDO)和一個(gè)芯片選擇/數(shù)據(jù)成幀引腳()。

該 ADC 以 16 位分辨率測(cè)量 0V 至 VCC 的單端輸入電壓。這種單端輸入架構(gòu)可以輕松測(cè)量多種信號(hào)，如壓力、和熱電耦信號(hào)，這只是有限的幾個(gè)例子。LTC2450 的尺寸使其能夠非常容易地取代微控制器中嵌入的 ADC，所占用的總體電路板空間和成本預(yù)算只增加一點(diǎn)點(diǎn)。

圖 2a 中的圖釘指向 LTC2450 的模擬側(cè)(VCC、VIN、GND)。與封裝模擬側(cè)相對(duì)的是 LTC2450 的簡單串行接口，由典型的 3 線串行接口組成。芯片選擇、串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出線控制單個(gè)輸出寄存器，以從 ADC 讀取數(shù)據(jù)。無需寫任何寄存器，也無需處理任何復(fù)雜的數(shù)據(jù) I/O。通過將芯片選擇線連接到地，這個(gè) ADC 還提供兩線通信模式，以進(jìn)一步節(jié)省電路板空間或?qū)崿F(xiàn)簡單的隔離。

圖2a LTC2450的演示電路板

圖 2b 所示是 LTC2450 的原理圖和周圍組件。LT6660-5)串聯(lián)基準(zhǔn)用電路板的主電壓作為基準(zhǔn)輸入電源，在基準(zhǔn)輸出端向 LTC2450 提供一個(gè)良好穩(wěn)定的低噪聲 5V 電源。與 LTC2450 一樣，LT6660 也采用 2mm×2mm DFN 封裝，盡管只有 3 個(gè)引腳(IN、OUT、GND)在封裝的一側(cè)伸出來。這個(gè)串聯(lián)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為 0.2%(最大值)，溫度系數(shù)為 10ppm/℃，提供高達(dá) 的電流，這么大的電流足夠?yàn)樵?ADC 供電。

圖2b LT6660基準(zhǔn)向LTC2450提供一個(gè)低功率、低噪聲的5v電源

取代較低分辨率的 ADC 和增益

除了使用微控制器中嵌入的 ADC，空間受限應(yīng)用的設(shè)計(jì)師節(jié)省成本并隔離與 ADC 的另一種方法是使用低價(jià)、小型和低分辨率的 ADC。通過放大來自傳感器的輸入(圖 3a)，設(shè)計(jì)師們繞過了 ADC 的限制，放大來自傳感器的輸入還降低了所需的 ADC 分辨率并提高了傳感器的負(fù)載阻抗。

很多傳感器只輸出低激勵(lì)電壓，常常在 至 范圍內(nèi)。這些應(yīng)用需要能在這 的范圍內(nèi)分辨幾微伏或幾百微伏的差別。低激勵(lì)電壓可能非常接近地電平或地電平與正電源電壓之間的某個(gè)共模電壓。從這么小的傳感器輸出電壓范圍獲得最高分辨率是一個(gè)挑戰(zhàn)。增益系數(shù)每增加 2，放大器輸出都提高 2 倍。這允許該 ADC 的分辨率為直接連接到傳感器上時(shí)所需分辨率的一半(這意味著你需要的 ADC 分辨率低一位)。

圖 3a 詳細(xì)說明了一種測(cè)量低壓傳感器的方法。放大器 A1 在信號(hào)進(jìn)入 12 位 ADC 之前將信號(hào)放大 16 倍。這個(gè)放大器將 ADC 所需的靈敏度降低了 16倍，或 4位(24)。因此圖 3a 中系統(tǒng)的分辨率與 16 位 ADC 直接連接到傳感器上的系統(tǒng)的分辨率是一樣的。假定傳感器輸出電壓的最大值為 0.25V，那么放大器 A1 的輸出將高達(dá) 4V。基于 5V 電源和單極性 0V 至 5V 輸入范圍，這個(gè) 12 位 ADC 現(xiàn)在可以利用 80% 的輸入范圍，而不是 5%。

不過，使用放大器和較低分辨率的 ADC 有很多缺點(diǎn)。首先，通過放大器的偏移電壓(VOS)，誤差項(xiàng)直接加到了傳感器的測(cè)量值上。其次，增益設(shè)置電阻的容限是電路的另一個(gè)誤差源。這些誤差源可能迅速累積。

第三，放大器和增益電阻增大了總的尺寸。第四，設(shè)計(jì)師們必須意識(shí)到放大器輸入共模范圍和輸出擺幅的限制。換句話說，盡管放大器可能被標(biāo)成“軌至軌輸出”，但是視負(fù)載情況而定，輸出電壓與地電平或正電源電壓相差的值永遠(yuǎn)不會(huì)在 1mV 至 的范圍。

凌力爾特公司的 LTC2450 允許設(shè)計(jì)師將高分辨率 ADC 直接連接到傳感器上(圖 3b)，而不增加成本或犧牲隔離度。該 ADC 具有 16 位無漏碼性能，能以在圖 3a 中的 12 位 ADC 加上放大器 A1 組成的系統(tǒng)一樣有效的分辨率于傳感器的 0.25V 范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

除了能測(cè)量 0.25V 的低電壓傳感器信號(hào)，LTC2450 的 0V 至 VCC輸入范圍還允許測(cè)量高達(dá) 5V 的單端信號(hào)。這允許該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在寬輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸出一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)。由于去掉了放大器及其增益級(jí)，因此無需擔(dān)心 VOS、電阻噪聲或容限問題。用于放大器和電阻的電路板空間不再需要了，匹配電阻與漂移組件的需求也沒有了。

圖 3 圖 3a 所示是一個(gè)低壓傳感器，用增益為 16 的放大器提高進(jìn)入 12 位 ADC 的電壓值。在圖 3b 中，無需放大器或匹配的 0.1% 增益設(shè)置電阻，16 位分辨率的 LTC2450 具有與圖 3a 系統(tǒng)相同的分辨率

傳感器阻抗

測(cè)量傳感器信號(hào)的設(shè)計(jì)師們面臨的另一個(gè)問題可能是傳感器阻抗，傳感器阻抗可能從幾 Ω 至幾 kΩ 或幾 MΩ。大多數(shù) ADC 的輸入架構(gòu)不是為準(zhǔn)確測(cè)量高阻抗傳感器的輸出而設(shè)計(jì)的，這迫使設(shè)計(jì)師們?cè)趥鞲衅骱?ADC 之間插入緩沖器。你不得不再次擔(dān)心偏移誤差、電路板空間和緩沖器成本問題。

LTC2450 的輸入架構(gòu)允許該 ADC 直接連接到阻抗高達(dá)幾 kΩ 的傳感器上，而不影響性能。假定 ADC 用 5V 電源，該 16 位 ADC 的每個(gè)最低有效位(LSB)將為 5V/65，536(76mV)。LTC2450 的輸入采樣電流極低，典型值僅為 50nA。因此，準(zhǔn)確度降低未超過 1LSB時(shí)，源阻抗可能高達(dá) 1.5kW(76mV/50nA=1.5kW)。

就阻抗高于 1.5kW 的傳感器而言，圖 3b 所示電路能夠非常容易地修改，可以增加一個(gè)具有低偏置電流的放大器，如 ，該器件在室溫時(shí)最大輸入偏置電流為 1pA。一個(gè)這類的例子是 pH 值傳感器，其阻抗高于幾 MW。假定傳感器的阻抗為 5MW，放大器的輸入偏置電流為 1pA，那么所產(chǎn)生的誤差為 5mV(5MW×1pA)，這個(gè)誤差項(xiàng)在 16 位分辨率(76mV)時(shí)仍遠(yuǎn)低于 1LSB，這可以確保設(shè)計(jì)師從 pH 值傳感器獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測(cè)量值。

增加緩沖放大器以后(圖4)，由于 LTC2450 的 50nA 低采樣電流，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在還可以在 ADC 之前使用低通。放置在 ADC 之前的 RC 網(wǎng)絡(luò)極大地改善了系統(tǒng)的性能和易用性，同時(shí)提供低通和抗混疊濾波。提供一個(gè)電荷庫，提供 ADC 的瞬時(shí)采樣電流，同時(shí)電阻隔離容性負(fù)載和放大器。

圖 4 通過增加外部緩沖器和低通，LTC2450 可以非常容易地測(cè)量阻抗大于 1.5kΩ 的傳感器信號(hào)

今天的大多數(shù) ADC 都有高得多的采樣電流，這意味著與 ADC 輸入串聯(lián)的 1kΩ 電阻會(huì)引起直流誤差。

結(jié)語

隨著設(shè)計(jì)師們不斷嘗試在更小的空間中實(shí)現(xiàn)更多的功能并降低預(yù)算，他們面臨的難題也越來越多了。嵌入 ADC 的微控制器和低價(jià)、低分辨率 ADC 也許很容易用來監(jiān)視電壓、電流或溫度這類模擬信號(hào)，但是進(jìn)一步研究會(huì)發(fā)現(xiàn)，誤差源和尺寸問題會(huì)累積，難以獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。

盡管縮小的設(shè)計(jì)從某些方面來看可能是好的，但是更小的集成電路封裝不總是等于更好的性能。微控制器面臨的一個(gè)問題是，隨著這類器件基于更精細(xì)的細(xì)線工藝采用更小的晶體管，制造商保持嵌入式 ADC 的性能也將會(huì)越來越困難。

LTC2450 采用手工設(shè)計(jì)，為 16 位性能而優(yōu)化，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)性能有保證，僅占用 4mm2的電路板空間，該器件為取代嵌入式 ADC 或低分辨率 ADC 提供了一個(gè)簡單的解決方案。LTC2450 的價(jià)格為 1.15 美元，如同用 12 位器件的價(jià)格獲得了 16 位分辨率。