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

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)計高度精細(xì)復(fù)雜，并內(nèi)置了寬動態(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)把模擬信號變換為數(shù)字信號以進(jìn)行數(shù)字信號處理。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)換性能是怎樣實現(xiàn)更高準(zhǔn)確度和更低成本的新一代工業(yè)系統(tǒng)。

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 以對實際的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理。模擬信號鏈路包括 ADC 和支持信號調(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)。

為了實現(xiàn) ppm 級的分辨率和準(zhǔn)確度，許多精準(zhǔn)型工業(yè)系統(tǒng)實施了數(shù)字校準(zhǔn)，旨在清除任何的系統(tǒng)級偏移和增益誤差。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 級的準(zhǔn)確度，而且還要求在很寬的工作溫度范圍內(nèi)實現(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與 ADC 的內(nèi)部設(shè)計及架構(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)級上進(jìn)行校準(zhǔn)，因為此類誤差在各數(shù)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(shù)。整個溫度范圍內(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。

突破性的性能

為了應(yīng)對這些設(shè)計挑戰(zhàn)，一個新的 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。LTC2378-20 是一個引腳和軟件兼容型 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(zhǔn)瞬像以及在單個時鐘周期之內(nèi)完成一項模數(shù)轉(zhuǎn)換操作的能力。SAR ADC 以執(zhí)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(nèi)立即獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果而具備了簡單易用的特點。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) 則需要多個時鐘周期來完成單個轉(zhuǎn)換。