引言

許多工業(yè)系統(tǒng)都需要以最高的準(zhǔn)確度來測量關(guān)鍵性的參數(shù)。實(shí)例包括地震監(jiān)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(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，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(gè)儀表能夠服務(wù)于多個(gè)輸入。ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間通?？稍诤軐挼姆秶鷥?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)?？刹捎脭?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 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 / 積分周期中對一個(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 的觀測周期內(nèi)同時(shí)測量所有 10 個(gè)信號(hào) (交錯(cuò)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(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)化測試設(shè)備的生產(chǎn)率。在此實(shí)例中，通過對在觀測周期中取自每個(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 顯著提升了測量速度，同時(shí)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(gè)模擬輸入同時(shí)進(jìn)行讀取和平均操作