從工業(yè)過程控制到高端測試和測量系統(tǒng)的廣泛應用中，精準模數(shù)轉(zhuǎn)換器是真實世界信號與現(xiàn)代數(shù)字信號處理功能電路之間的關鍵使能接口。然而令人遺憾的是，把傳感器或其他信號源連接至轉(zhuǎn)換器并獲得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品廣告中宣稱的所有性能并不是那么容易。常常需要用于提供緩沖、電壓保護或其他功能的附加電路，要在獲取所要求性能的情況下實現(xiàn)這些目標是頗具挑戰(zhàn)性的工作。對此，本文將以ADI公司的新型 LTC2358 8 通道 ADC 的集成化微微安培輸入模擬緩沖器，看如何提供一種簡化這些難題的電路設計方法。
不需要緩沖器直接連接，逐次逼近型寄存的 ADC
18 位 8 通道同時采樣器逐次逼近型寄存 (SAR) ADC LTC2358具集成的微微安培輸入緩沖器。在電路板空間稀缺的現(xiàn)狀下，LTC2358 通過去掉通常在驅(qū)動非緩沖型開關電容器 ADC 輸入時所需的前端信號調(diào)理電路，顯著地節(jié)省了空間和成本。每個通道合起來節(jié)省了 3 個放大器、6 個電阻器和兩個電容器組件，8 個通道總共可節(jié)省 88 個組件，從而節(jié)省了 BOM 成本和大量電路板空間，并使功耗降低超過 40%。
在以每通道200ksps的吞吐速率對8個通道進行轉(zhuǎn)換的同時，LTC2358-18還通過獨立可配置的SoftSpan™輸入范圍提供更大的靈活性。每個通道可在逐次轉(zhuǎn)換的基礎上設定為接受 ±10.24V、0V 至 10.24V、 ±5.12V 或 0V 至 5.12V 的單極性、真正雙極性、全差分或任意輸入信號。差分模擬輸入在 30V 寬輸入共模范圍內(nèi)運行，從而允許該ADC直接數(shù)字化各種信號，同時簡化信號鏈路設計
LTC2358-18采用了具20ppm/℃最大溫度系數(shù)的精確內(nèi)部基準和一個能夠準確進行單次測量的集成式基準緩沖器，從而在密集排列的電路板上節(jié)省了空間。可選外部 5V 基準以將模擬輸入范圍擴大至 ±12.5V。當以每通道 200ksps 同時地對 8 個通道進行轉(zhuǎn)換時，該器件消耗 219mW，LTC2358-18 還具備打盹模式和斷電模式，以在較低吞吐速率時降低功耗。
除了獨特的模擬特性，LTC2358-18 還具有數(shù)字靈活性，具備引腳可選的 SPI CMOS 和 LVDS 串行接口。寬數(shù)字輸出電源范圍允許該器件與 1.8V至5V的任何 CMOS 邏輯電路通信。在CMOS模式，應用可以運用1至8個串行輸出數(shù)據(jù)線道，從而使用戶能夠優(yōu)化總線寬度和數(shù)據(jù)吞吐量。LVDS 模式使用差分信號，在更長的距離上提供低噪聲、高速通信�？傊�，這些 I/O 接口選項使 LTC2358-18 能夠同樣好地與傳統(tǒng)控制器和現(xiàn)代 FPGA 通信。
本質(zhì)上，LTC2358 吸收了LTC2348 8 通道逐次逼近型 ADC 領先的性能和超群的靈活性，并增添了高性能 FET 輸入緩沖。 LTC2348具有出色的性能和任意輸入測量能力，是眾多高電壓應用之絕佳選擇，而LTC2358 同樣擁有這些優(yōu)勢和幾乎相同的性能。本文將著重介紹其緩沖輸入可改善您系統(tǒng)的幾種簡單方法。
傳感器信號連接，從這些例子來看看這些特性福利
許多傳感器，甚至那些具有輸出的緩慢或精細傳感器，可簡單地直接連接至 LTC2358，并不需要任何中間信號調(diào)理。以前，一個 8 通道 ADC 或許需要采用 4 個像這樣的雙通道高電壓運放來提供緩沖 … 而現(xiàn)在，LTC2358 通過免除這些運放大幅度節(jié)省了電路板面積和功率。
此類傳感器直接連接的一個例子是這里所示的簡單熱敏電阻電路，其可在 ADC 上產(chǎn)生一個與熱敏電阻和上方的固定電阻之比有關的電壓。
請注意，把電阻器的頂端連接至 ADC 基準可確保一個準確的比例，即使在基準發(fā)生漂移時也不例外。當選擇熱敏電阻時，低電阻值在熱敏電阻中導致較大的功耗，因而會損害測量準確度。另一方面，采用高電阻值熱敏電阻時的準確度則需要進行非常高輸入阻抗測量。
這里，LTC2358 的純電容性輸入“發(fā)光”了，可在采用一個 20kΩ 阻性元件時提供優(yōu)良的準確度。
LTC2358 的高采樣速率和低噪聲允許采用一個與熱敏電阻并聯(lián)的開關實現(xiàn)進一步的改善。當該開關導通時，熱敏電阻中無功耗，因此它將處于環(huán)境溫度水平。當需要進行溫度測量時，該開關短暫地斷開，測量隨后不到 1ms 即可完成，因此熱敏電阻器沒有時間使自身發(fā)熱。
上面這幅曲線圖顯示了能以多快的速度完成一次準確的測量，以及在轉(zhuǎn)換操作持續(xù) 100ms (遠超所需的時間) 時測量誤差的增加情況。這個簡單的例子說明了在一個傳感器和LTC2358 之間實現(xiàn)連接是多么容易，不過緩沖器還可在其他方面有所幫助。
把我們的討論重點稍作改變，緩沖輸入還使得可容易地設計一個能夠干凈和透明地處理超范圍信號的系統(tǒng)，不管它們是作為正常運行方式的一部分、抑或是某種系統(tǒng)故障情況出現(xiàn)。超范圍 ADC 輸入信號的出現(xiàn)有很多原因。有時它們就像把一個 2kg 物體放在一臺 1kg 秤上那么明顯，或者，它們也可能源于出故障的傳感器、電源或配線。這些狀況造成的后果是，在最好情況下會是一種干擾，而在最壞情況下則會損害性能。
LTC2358 有助簡化構(gòu)建能承受超范圍信號的高性能系統(tǒng)。這根彩條以圖形化的方式顯示了在各種不同輸入電壓條件下 LTC2358 的預期運行方式。
首先，當模擬輸入電壓超過其編程全標度時，ADC 不成問題。例如，若一個輸入是針對 0V 至 5V 操作配置，但系統(tǒng)施加了 10V 或任何高達高電壓電源差的電壓，則轉(zhuǎn)換器簡單地報告一個飽和全標度值。其他通道上的轉(zhuǎn)換結(jié)果仍然是準確的，而且功耗并未增加。
在更嚴重的場合，輸入可能會被驅(qū)動至超過高電壓電源。例如，假如一個采用 40V電壓供電的放大器驅(qū)動 ADC，則在某種異常情況下該放大器或許會試圖把一個輸入驅(qū)動至 40V。
內(nèi)部二極管把模擬輸入箝位至高電壓電源，因此很有必要限制電流以避免損壞器件或其他電路。LTC2358 能容許引腳電壓被拉至超過其電源并具有高達 10mA 電流而無憂，所以簡單地布設一個與輸入相串聯(lián)的 2.5kΩ 電阻器就能允許雜散輸入信號走至 40V。
ADC 的高阻抗輸入可確保該串聯(lián)電阻在電路正常工作時不會造成性能下降，而且高達 40V 的電壓不會在其他 ADC 通道上導致準確度受影響。把輸入拉至負電源以下 (低至 –40V) 也不會導致?lián)p壞，但是將使其他通道上的準確度下降。如果超過這些限值，則 ADC 和電阻器中的功耗存在損壞器件的風險。
對于其他可行的過驅(qū)動范圍可采用其他的電阻器阻值，并記住 10mA 的電流限值。例如，一個 10kΩ 電阻器將允許施加 100V。請注意，在 10kΩ 電阻器兩端施加 100V 電壓時的功耗為 1W，故需采用一個較高功率電阻器，但是解決方案仍然極為簡單和堅固。
至此，本文舉了幾個例子說明可以怎樣取消或簡化位于 ADC 前面的電路。
另外，還可采用一些利用其極低輸入電流和寬共模范圍的更具創(chuàng)造性之方式把 LTC2358 集成到感測系統(tǒng)之中。模擬輸入電流完全由結(jié)漏決定，而且在室溫下通常小于 10pA。這種低輸入電流意味著 LTC2358 可與極低水平的電流信號 (光電二極管的典型特征) 一起使用。光電二極管是反向偏置二極管，專為傳導由二極管上的光照水平所決定的少量電流而設計。
接著，這個小電流信號通常由像這樣一個跨阻抗運放電路轉(zhuǎn)換為一個電壓，于是運放的輸出電壓與二極管電流成比例，并且可以由一個 ADC 進行數(shù)字化處理。由于光電二極管是反向偏置二極管，因此其看似一個極高的電阻，而且以高準確度測量其電流要求任何連接至它的組件必需具有極低的輸入電流。
因此，所示的運放通常必須是一個 FET 輸入運放。不幸的是，F(xiàn)ET 運放的輸入失調(diào)電壓通常不是很好，因而會影響輸出電壓的準確度。然而，LTC2358 能夠完成差分測量，因此可將其連接以測量電阻器兩端的電壓，而不是在運放的輸出端上進行測量。這種連接消除了運放失調(diào)的影響和測量中的低頻噪聲。
這里重要注意的是，該電路的正常運作全因 LTC2358 本身具有非常低的輸入電流，在室溫下通常僅為幾 pA，所以它可以合理地直接連接至光電二極管，并不會干擾測量。該光電二極管電路只是利用 LTC2358 的緩沖輸入得以實現(xiàn)的廣泛應用和電路的一個例子。
還有更多例子，采用低功率運放來設計模擬信號濾波器和接口的工作也將大為簡化。添加這功能到簡單的過驅(qū)動堅固性、直接傳感器連接和出眾的原生性能，使得 LTC2358 成為適用于眾多多通道系統(tǒng)的卓越解決方案。
