引言

許多工業(yè)系統(tǒng)都需要以最高的準(zhǔn)確度來測(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)。
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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(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(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。
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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)鐘周期來完成單個(gè)轉(zhuǎn)換。

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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)。
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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(cè)試設(shè)備常常采用這種慢速 ADC 架構(gòu)以完成高精度 DC 測(cè)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(cè)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(hào)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(duì) 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(cè) / 積分周期中對(duì)一個(gè)模擬輸入信號(hào)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(cè)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(cè)周期內(nèi)同時(shí)測(cè)量所有 10 個(gè)信號(hào) (交錯(cuò)式)。在保持與 100ms 觀測(cè)周期相對(duì)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(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)率。在此實(shí)例中，通過對(duì)在觀測(cè)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(jiǎn)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(cè)量速度，同時(shí)保持了先前架構(gòu)的重要優(yōu)勢(shì).

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