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作者：凌力爾特公司 Atsushi Kawamoto博士 (設計經理)， Jesper Steensgaard 博士 (資深科學家) ，Mark Thoren (資深科學家) ，Heemin Yang博士 (設計部負責人) 引言 許多工業系統都需要以最高的準確度來測量關鍵性的參數。實例包括地震監測、能源勘探、氣流感測和硅晶圓制造等。在每種場合中，這些系統均拓展了尖端信號處理技術的界限并要求 ppm 的準確度。此類系統的設計高度精細復雜，并內置了寬動態范圍傳感器、高階控制環路和最高性能的集成電路組件。 很多精準型工業系統的核心部分都是一個模數轉換器 (ADC)。該 ADC 扮演著至關重要的角色，其負責把模擬信號變換為數字信號以進行數字信號處理。ADC 的準確度和性能常常決定了整體系統的準確度和性能。本文將討論突破性的數據轉換性能是怎樣實現更高準確度和更低成本的新一代工業系統。 精準型工業系統要求 精準型工業系統需要采用高分辨率 ADC 以對實際的模擬信號進行數字化處理。模擬信號鏈路包括 ADC 和支持信號調理電路 (例如：放大器、濾波器和基準)，通常需要具備卓越的 DC 規格指標 (例如：偏移、增益和線性度)。 為了實現 ppm 級的分辨率和準確度，許多精準型工業系統實施了數字校準，旨在清除任何的系統級偏移和增益誤差。因此，系統準確度經常受限于那些無法利用偶爾校準而加以抑制的誤差，而且系統設計師或許更加關注重要參數的潛在漂移，而不是其靜態值。例如：精準型系統有可能不僅需要在某一固定溫度下擁有 ppm 級的準確度，而且還要求在很寬的工作溫度范圍內實現低于ppm/°C 的漂移準確度。 對于整體系統準確度來說，ADC 的線性度是最讓人關切的。ADC 線性度由模擬輸入信號與 ADC 的內部設計及架構之間的復雜相互作用所決定。ADC 非線性誤差極其難以在系統級上進行校準，因為此類誤差在各數字代碼之間差別迥異，而且還因為它們可能是溫度的一個強函數。整個溫度范圍內的 ADC 線性度和穩定性對于精準型系統的總體準確度是極為重要的。 突破性的性能 為了應對這些設計挑戰，一個新的 20 位 SAR ADC 系列提供了前所未有的性能和準確度水平，從而簡化了高精度工業系統的設計。LTC2378-20 是一個引腳和軟件兼容型 SAR ADC 系列的旗艦產品，其具有高達 20 位的無漏失碼分辨率和高達 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，并且在整個工作溫度范圍內 (-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現的，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獲得精準瞬像以及在單個時鐘周期之內完成一項模數轉換操作的能力。SAR ADC 以執行異步 “啟動并運行” 操作見長，而且它們由于能夠在同一個時鐘周期內立即獲得轉換結果而具備了簡單易用的特點。在沒有周期延遲的情況下產生準確轉換結果 (即使在經歷了漫長的空閑周期之后也是如此) 的能力使得 SAR ADC 成為眾多精準型應用的理想選擇，包括傳感器、控制環路、數據采集和自動化測試設備。其他類型的 ADC (例如：ΔΣ ADC 和流水線型 ADC) 則需要多個時鐘周期來完成單個轉換。 電路架構 具 ppm 級保證線性度和準確度的 LTC2378-20對于許多精準型工業系統而言是一個具顛覆性的產品。LTC2378-20 采用一種專有架構進行設計，此架構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，在整個工作溫度范圍內保證了前所未有的 2ppm INL 規格指標。 SAR ADC 算法基于二進制搜索原理。把模擬輸入采樣至一個電容器，并與一個利用 SAR 算法選擇的基準電壓之分數進行順序比較。SAR ADC 包括 3 個關鍵性組件：一個基于電容器的數-模轉換器 (CDAC)、一個快速低噪聲比較器電路和一個逐次逼近寄存器。傳統 SAR ADC 的 INL 性能有可能受限于 CDAC 中個別電容器的有限匹配準確度，而且很多高精度 SAR ADC 均采用模擬或數字修整方法以改善匹配準確度。然而，當溫度變化以及施加封裝和電路板應力時，CDAC 電容器匹配準確度總是會下降，并有可能限制 ADC 的線性度。 通過運用一種專有架構 (該架構使得 INL 不受 CDAC 電容器失配的影響)，LTC2378-20 實現了其最先進的 INL 性能，從而使其擁有了針對嚴酷工業環境中所存在的那一類溫度變化和封裝應力效應的出色堅固性。此外，還對比較器電路進行了謹慎的設計以平衡速度、功率和噪聲指標，最終使 LTC2378-20 實現了前所未有的 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，所以當它們工作在 1ksps 時功耗僅為微瓦級。 準確度和速度 LTC2378-20 所實現的準確度水平以前只可通過使用速度低得多的 ADC 架構 (例如：ΔΣ ADC 或多斜率 ADC) 來獲得。高通道數自動化測試設備常常采用這種慢速 ADC 架構以完成高精度 DC 測量，并利用多路復用器以使單個儀表能夠服務于多個輸入。ADC 轉換時間通常可在很寬的范圍內調節，以犧牲速度來提高分辨率。不過，當采樣速率高于 100ksps 時，測量分辨率常常被限制在 16 位以下。LTC2378-20 每秒能獲取百萬個讀數，每個讀數具有 2.3ppm 的噪聲分辨率 (噪聲的標準偏差，104dB SNR)。可采用數字方式將同一模擬信號多個讀數的結果組合起來以改善噪聲分辨率，并產生超過多斜率 ADC 的性能。例如，通過對 10 個樣本塊進行平均處理，LTC2378-20 實際上工作在 1Msps/10 = 100ksps 下，并具有一個 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觀測 / 積分周期中對一個模擬輸入信號進行平均處理，以抑制噪聲和干擾。通常采用一個 100ms 的觀測周期來同時抑制 50Hz 和 60Hz 線路頻率干擾，從而產生一個僅為 10sps 的吞吐速率。相應地，當采用一個多斜率 ADC 時，服務于 10 個多路復用通道將需要整整一秒鐘的時間。圖 2 示出了單個工作在 102.4ksps 采樣速率下的 LTC2378-20 ADC，其配置有一個多路復用電路，以在 100ms 的觀測周期內同時測量所有 10 個信號 (交錯式)。在保持與 100ms 觀測周期相對應的線路頻率干擾抑制的同時，吞吐速率有所增加，增加倍數為復用通道數 (這里是 10 倍，但還可以更高)，從而大幅度提高了自動化測試設備的生產率。在此實例中，通過對在觀測周期中取自每個通道的 1024 個樣本進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)。平均運算可利用一個簡單的加法器 (用可編程邏輯或處理器可輕松實現) 來完成。因此，LTC2378-20 顯著提升了測量速度，同時保持了先前架構的重要優勢.
圖 2：LTC2378-20 配置為在 100ms 的觀測周期內對 10 個模擬輸入同時進行讀取和平均操作 由于單個 LTC2378-20 器件有可能取代多斜率設計所需的多個分立組件，因而為平衡成本、電路板空間和通道數開辟了一個頗具價值的設計自由度。利用一個或多個 LTC2378-20 ADC 來替代一個多路復用儀表可縮減系統尺寸、降低功率、減少解決方案成本、并使速度提升至比傳統方法高幾個數量級。此外，由于該器件能夠以高達 1Msps 速率工作于其本機模式，如充當一個奈奎斯特 (Nyquist) ADC，因此單個 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，比如：用一個多斜率 ADC 進行高準確度低噪聲測量，而用一個 SAR ADC 來提高較低分辨率測量的速度。 簡化并減少信號鏈路元件 使用高分辨率 ADC 能帶來一個有趣的好處：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模擬信號調理功能塊的需要。由于模擬部件常常產生非線性、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設計既更加簡單，也更加準確。 寬動態范圍傳感器通常與可變增益放大器配對使用，以在傳感器的整個輸入范圍內實現足夠的測量分辨率。例如：一個光學功率傳感器可能具有橫跨 6 個測量數量級 (從 nW 到 mW) 的可用范圍。傳統的方法是采用一個對數放大器把高動態范圍信號調節至一個較低動態范圍 ADC 的輸入范圍之中。增益在小輸入幅度時很高，并隨著輸入幅度的增加而滾降。這種方法的缺點是模擬對數功能部件會發生漂移，而且帶寬隨輸入而變化。熱流量表是另一個傳統上需要可變增益的非線性傳感器實例。低熱流具有較高的靈敏度，因而導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 個數量級的動態范圍，而且它提供了 6 位級的 DC 準確度 (1ppm)，這對于直接對此類信號進行數字處理是足夠了。可采用數字信號處理方法來增加噪聲動態范圍 (通過減小帶寬)，或實現一種對數功能 (例如，數字代碼的簡單右移或左移)，或者補償傳感器的非線性。 采用可編程增益放大器 (PGA) 和步進衰減器是在具有一個低分辨率 ADC 的系統中實現寬動態范圍的其他方法。自動量程電壓表即為一例；該儀表在其最靈敏的量程中啟動，并在輸入超過低量程限值時立即切換至一個較高的量程 (通常大 10 倍)。不過，在切換量程時將出現中斷。理想的情況是：一個輸入量程的 100% 應精確地等于下一個較大量程的 10%，但實際上始終存在著一定的誤差。同樣，LTC2378-20 出色的線性和動態范圍特性允許將多個量程組合起來，從而消除了因切換量程而引起的中斷現象。 控制系統 對于在混合模式控制系統中使用的 ADC 來說，延遲是一項重要的參數，因為過多的延遲有可能導致不穩定性。雖然市面上有線性度達 ppm 級的 ΔΣ ADC 銷售，但它們只能在具有低調節帶寬的非常低速之控制系統中使用。LTC2378-20 的無周期延遲特性與其卓越的線性度相結合，可造就速度快得多且高度準確的成本效益型混合模式控制系統實現方案。控制系統的調節帶寬與其噪聲帶寬有關，而且它只是影響控制系統整體噪聲之 ADC 噪聲的帶內部分。LTC2378-20 可提供 104dB SNR，在 1Msps 的采樣速率下，這意味著其 22.5µVrms 的輸入參考噪聲對應一個僅 31.5nV/√Hz 的噪聲功率頻譜密度 (PSD)。相應地，當應用于一個具 10kHz 調節帶寬的 1Msps 控制系統時，帶內噪聲僅為 31.5nV/√Hz * √10kHz = 3.2µV，對應于一個 121dB 的動態范圍。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。控制系統實際上在 1Msps/(2*10kHz) = 50 個樣本上進行噪聲平均運算，以實現 ppm 級的噪聲和線性性能。不管平均運算是采用一個數字濾波器 (控制器) 來完成、抑或是采用某個用于限制帶寬的模擬系統組件來完成，都不會對性能造成影響。圖 3 示出了一個混合模式控制系統，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 結論 精準型工業系統設計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 在高轉換速率 (1Msps) 和低功耗 (21mW) 下提供了前所未有的準確度 (保證 INL 為 2ppm) 和低噪聲 (104dB SNR) 水平。高準確度、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中使用)，從而可實現高度準確、靈活和具成本效益的新一代精準型工業系統。 |
