從工業(yè)過程控制到高端測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用中，精準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器是真實(shí)世界信號(hào)與現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理功能電路之間的關(guān)鍵使能接口。然而令人遺憾的是，把傳感器或其他信號(hào)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(hù)或其他功能的附加電路，要在獲取所要求性能的情況下實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)是頗具挑戰(zhàn)性的工作。對(duì)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(jiǎn)化這些難題的電路設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)非緩沖型開關(guān)電容器 ADC 輸入時(shí)所需的前端信號(hào)調(diào)理電路，顯著地節(jié)省了空間和成本。每個(gè)通道合起來節(jié)省了 3 個(gè)放大器、6 個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器組件，8 個(gè)通道總共可節(jié)省 88 個(gè)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(duì)8個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時(shí)，LTC2358-18還通過獨(dú)立可配置的SoftSpan™輸入范圍提供更大的靈活性。每個(gè)通道可在逐次轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上設(shè)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(hào)。差分模擬輸入在 30V 寬輸入共模范圍內(nèi)運(yùn)行，從而允許該ADC直接數(shù)字化各種信號(hào)，同時(shí)簡(jiǎn)化信號(hào)鏈路設(shè)計(jì)
LTC2358-18采用了具20ppm/℃最大溫度系數(shù)的精確內(nèi)部基準(zhǔn)和一個(gè)能夠準(zhǔn)確進(jìn)行單次測(cè)量的集成式基準(zhǔn)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(zhǔn)以將模擬輸入范圍擴(kuò)大至 ±12.5V。當(dāng)以每通道 200ksps 同時(shí)地對(duì) 8 個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，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(shí)降低功耗。
除了獨(dú)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(yīng)用可以運(yùn)用1至8個(gè)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(hào)，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(xiàng)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(lǐng)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(cè)量能力，是眾多高電壓應(yīng)用之絕佳選擇，而LTC2358 同樣擁有這些優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)單方法。
傳感器信號(hào)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(xì)傳感器，可簡(jiǎn)單地直接連接至 LTC2358，并不需要任何中間信號(hào)調(diào)理。以前，一個(gè) 8 通道 ADC 或許需要采用 4 個(gè)像這樣的雙通道高電壓運(yùn)放來提供緩沖 … 而現(xiàn)在，LTC2358 通過免除這些運(yùn)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(gè)例子是這里所示的簡(jiǎn)單熱敏電阻電路，其可在 ADC 上產(chǎn)生一個(gè)與熱敏電阻和上方的固定電阻之比有關(guān)的電壓。
請(qǐng)注意，把電阻器的頂端連接至 ADC 基準(zhǔn)可確保一個(gè)準(zhǔn)確的比例，即使在基準(zhǔn)發(fā)生漂移時(shí)也不例外。當(dāng)選擇熱敏電阻時(shí)，低電阻值在熱敏電阻中導(dǎo)致較大的功耗，因而會(huì)損害測(cè)量準(zhǔn)確度。另一方面，采用高電阻值熱敏電阻時(shí)的準(zhǔn)確度則需要進(jìn)行非常高輸入阻抗測(cè)量。
這里，LTC2358 的純電容性輸入“發(fā)光”了，可在采用一個(gè) 20kΩ 阻性元件時(shí)提供優(yōu)良的準(zhǔn)確度。
LTC2358 的高采樣速率和低噪聲允許采用一個(gè)與熱敏電阻并聯(lián)的開關(guān)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改善。當(dāng)該開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，熱敏電阻中無功耗，因此它將處于環(huán)境溫度水平。當(dāng)需要進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，該開關(guān)短暫地?cái)嚅_，測(cè)量隨后不到 1ms 即可完成，因此熱敏電阻器沒有時(shí)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(zhǔn)確的測(cè)量，以及在轉(zhuǎn)換操作持續(xù) 100ms (遠(yuǎn)超所需的時(shí)間) 時(shí)測(cè)量誤差的增加情況。這個(gè)簡(jiǎn)單的例子說明了在一個(gè)傳感器和LTC2358 之間實(shí)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(diǎn)稍作改變，緩沖輸入還使得可容易地設(shè)計(jì)一個(gè)能夠干凈和透明地處理超范圍信號(hào)的系統(tǒng)，不管它們是作為正常運(yùn)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(hào)的出現(xiàn)有很多原因。有時(shí)它們就像把一個(gè) 2kg 物體放在一臺(tái) 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(huì)是一種干擾，而在最壞情況下則會(huì)損害性能。
LTC2358 有助簡(jiǎn)化構(gòu)建能承受超范圍信號(hào)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(yù)期運(yùn)行方式。
首先，當(dāng)模擬輸入電壓超過其編程全標(biāo)度時(shí)，ADC 不成問題。例如，若一個(gè)輸入是針對(duì) 0V 至 5V 操作配置，但系統(tǒng)施加了 10V 或任何高達(dá)高電壓電源差的電壓，則轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單地報(bào)告一個(gè)飽和全標(biāo)度值。其他通道上的轉(zhuǎn)換結(jié)果仍然是準(zhǔn)確的，而且功耗并未增加。
在更嚴(yán)重的場(chǎng)合，輸入可能會(huì)被驅(qū)動(dòng)至超過高電壓電源。例如，假如一個(gè)采用 40V電壓供電的放大器驅(qū)動(dòng) ADC，則在某種異常情況下該放大器或許會(huì)試圖把一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)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(dá) 10mA 電流而無憂，所以簡(jiǎn)單地布設(shè)一個(gè)與輸入相串聯(lián)的 2.5kΩ 電阻器就能允許雜散輸入信號(hào)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(shí)不會(huì)造成性能下降，而且高達(dá) 40V 的電壓不會(huì)在其他 ADC 通道上導(dǎo)致準(zhǔn)確度受影響。把輸入拉至負(fù)電源以下 (低至 –40V) 也不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞，但是將使其他通道上的準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于其他可行的過驅(qū)動(dòng)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(gè) 10kΩ 電阻器將允許施加 100V。請(qǐng)注意，在 10kΩ 電阻器兩端施加 100V 電壓時(shí)的功耗為 1W，故需采用一個(gè)較高功率電阻器，但是解決方案仍然極為簡(jiǎn)單和堅(jiān)固。
至此，本文舉了幾個(gè)例子說明可以怎樣取消或簡(jiǎn)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(cè)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(hào) (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(dǎo)由二極管上的光照水平所決定的少量電流而設(shè)計(jì)。
接著，這個(gè)小電流信號(hào)通常由像這樣一個(gè)跨阻抗運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓，于是運(yùn)放的輸出電壓與二極管電流成比例，并且可以由一個(gè) ADC 進(jìn)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(gè)極高的電阻，而且以高準(zhǔn)確度測(cè)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(yùn)放通常必須是一個(gè) FET 輸入運(yùn)放。不幸的是，F(xiàn)ET 運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓通常不是很好，因而會(huì)影響輸出電壓的準(zhǔn)確度。然而，LTC2358 能夠完成差分測(cè)量，因此可將其連接以測(cè)量電阻器兩端的電壓，而不是在運(yùn)放的輸出端上進(jìn)行測(cè)量。這種連接消除了運(yùn)放失調(diào)的影響和測(cè)量中的低頻噪聲。
這里重要注意的是，該電路的正常運(yùn)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(huì)干擾測(cè)量。該光電二極管電路只是利用 LTC2358 的緩沖輸入得以實(shí)現(xiàn)的廣泛應(yīng)用和電路的一個(gè)例子。
還有更多例子，采用低功率運(yùn)放來設(shè)計(jì)模擬信號(hào)濾波器和接口的工作也將大為簡(jiǎn)化。添加這功能到簡(jiǎn)單的過驅(qū)動(dòng)堅(jiān)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。
