精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)要求新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度水平

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，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電容器，并與一個利用 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 個關(guān)鍵性組件：一個基于電容器的數(shù)-模轉(zhuǎn)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(tǒng) 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(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，CDAC 電容器匹配準(zhǔn)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(gòu) (該架構(gòu)使得 INL 不受 CDAC 電容器失配的影響)，LTC2378-20 實現(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)的出色堅固性。此外，還對比較器電路進(jìn)行了謹(jǐn)慎的設(shè)計以平衡速度、功率和噪聲指標(biāo)，最終使 LTC2378-20 實現(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 時功耗僅為微瓦級。

準(zhǔn)確度和速度

LTC2378-20 所實現(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)用器以使單個儀表能夠服務(wù)于多個輸入。ADC 轉(zhuǎn)換時間通?？稍诤軐挼姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)，以犧牲速度硤岣叻直媛省２還，當(dāng)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(shù)，每個讀數(shù)具有 2.3ppm 的噪聲分辨率 (噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差，104dB SNR)?？刹捎脭?shù)字方式將同一模擬信號多個讀數(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 個樣本塊進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生一個僅為 10sps 的吞吐速率。相應(yīng)地，當(dāng)采用一個多斜率 ADC 時，服務(wù)于 10 個多路復(fù)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(fù)用電路，以在 100ms 的觀測周期內(nèi)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(yīng)的線路頻率干擾抑制的同時，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化測試設(shè)備的生產(chǎn)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(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(xiàn)) 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(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 個模擬輸入同時進(jìn)行讀取和平均操作