用超纤巧16位ADC取代低性能嵌入式数据转换器

      摘要： 本文介绍了如何利用外置ADC取代微控制器内部所集成的ADC以及设计时需要考虑的注意事项。

      关键词： ADC；微控制器；增益放大器；传感器阻抗

      当今的电子产品总是希望尺寸越小越好。从占据整个房间的服务器系统到能方便地装进衣服口袋的消费电子产品，设计师们不断寻求实现的外形尺寸，在更小的空间中实现更多的功能。能够让完整的解决方案比同类方案小 10% 到 20% 的设计师有更大的机会赢得设计订单。纤巧的集成电路是从大到小各种产品设计的关键。

      这类便携式和空间受限的产品设计中包括电源、微控制器、MOSFET、放大器、数据转换器等电路。专用集成电路(ASIC)中已经纳入了很多上述功能，取得了不同程度的成功。设计师在空间、性能和成本之间进行平衡取舍时，一个可能影响测量效果的环节是模数转换。设计师们常常使用微控制器和集成式 ADC或较低分辨率的 ADC 和前置放大器电路。

      测量便携式和空间受限设计的温度、电压、电流和其他信号时，ADC 发挥着关键作用。嵌入式微控制器中的 ADC 有一个主要问题，线性度、偏移误差、噪声等关键直流性能规格常常没有保证、未经过测试甚至未列出。尽管微控制器的方框图显示，内部有一个12 位逐次逼近寄存器(SAR)ADC 或一个 16 位增量累加 ADC 可选，但是设计师们却要猜测其真正的性能有多好。

      当今的微控制器内核集成了多种功能，包括数字时钟、定时器、存储器和几百个寄存器。就确实含有 ADC 的微控制器而言，浏览冗长的数据表以确定 ADC 的性能是一个艰巨的任务。

      进入实验室以后，获得好的 ADC 性能可能同样艰巨。一个“16 位 ADC”用起来也许更像是一个 10 位或 12 位 ADC。ADC 的地和负基准电源一般来自与微控制器其余部分共用和噪声较大的基片。由于这些微控制器以数字优化工艺制造，没有为测量模拟信号而优化，因此 ADC 的性能常常是事后考虑的。在微控制器内部，没有为实现良好 ADC 性能而进行布线。不幸的是，ADC 和其余电路共享一个公用的硅基片。

      采用超纤巧封装的 16 位 ADC

      凌力尔特公司提供的一个新 ADC 系列使设计师有可能不必在空间、性能和成本之间进行选择。16 位的 LTC2450 采用 2mm×2mm DFN 封装，手工设计以实现卓越的直流模拟信号测量性能。LTC2450 的线性度、偏移误差和增益误差都经过测试，在整个工业温度范围内有保证。这个 ADC 使得取代微控制器的嵌入式 ADC 很容易，而且几乎不占用更多的电路板空间。   

      图 1 所示是一个典型的印刷电路板，上面装有 FPGA、电源、微控制器和分立组件。利用这些组件的典型应用包括光网卡、数据采集单元、服务器和很多其他设计。LTC2450 的 4mm2尺寸使它无需挪动周围电路就能进行准确的 ADC 测量，如测量温度、电流、电压或气流等值。                                 
 
      虽然尺寸纤巧，但是 LTC2450 的增量累加 ADC 内核具有 16 位无漏码性能。积分非线性误差(INL)的典型值为 2 LSB(值为 10 LSB)，增益误差值为 0.02%，这两个值在整个工业温度范围内(-40℃至 +85℃)是有保证的。

      LTC2450 的 DFN 封装上有 6 个引脚，包括：

      *电源(VCC)，偏置该 ADC 的内部构件，用作该 ADC 的正基准电压；
    
      *输入电压连接(VIN)；

      *地电源(GND)，用作模拟和数字地以及该 ADC 的负基准电压。

      *3 个数字 I/O 引脚，一个串行时钟输入引脚(SCK)，一个串行数据输出引脚(SDO)和一个芯片选择/数据成帧引脚()。

      该ADC以16位分辨率测量 0V 至 VCC 的单端输入电压。这种单端输入架构可以轻松测量多种传感器信号，如压力传感器、热敏电阻和热电耦信号，这只是有限的几个例子。LTC2450 的尺寸使其能够非常容易地取代微控制器中嵌入的 ADC，所占用的总体电路板空间和成本预算只增加一点点。

      图 2a 中的图钉指向 LTC2450 的模拟侧(VCC、VIN、GND)。与封装模拟侧相对的是 LTC2450 的简单串行接口，由典型的 3 线串行接口组成。芯片选择、串行时钟和数据输出线控制单个输出寄存器，以从 ADC 读取数据。无需写任何寄存器，也无需处理任何复杂的数据 I/O。通过将芯片选择线连接到地，这个 ADC 还提供两线通信模式，以进一步节省电路板空间或实现简单的隔离。

      图 2b 所示是 LTC2450 的原理图和周围组件。LT6660-5)串联基准用电路板的主电压作为基准输入电源，在基准输出端向 LTC2450 提供一个良好稳定的低噪声 5V 电源。与 LTC2450 一样，LT6660 也采用 2mm×2mm DFN 封装，尽管只有 3 个引脚(IN、OUT、GND)在封装的一侧伸出来。这个串联基准的准确度为 0.2%(值)，温度系数为 10ppm/℃，提供高达 20mA 的电流，这么大的电流足够为该 ADC 供电。

      图2b LT6660基准向LTC2450提供一个低功率、低噪声的5v电源

      取代较低分辨率的 ADC 和增益放大器

      除了使用微控制器中嵌入的 ADC，空间受限应用的设计师节省成本并隔离传感器与 ADC 的另一种方法是使用低价、小型和低分辨率的 ADC。通过放大来自传感器的输入(图 3a)，设计师们绕过了 ADC 的限制，放大来自传感器的输入还降低了所需的 ADC 分辨率并提高了传感器的负载阻抗。

      很多传感器只输出低激励电压，常常在 10mV 至 100mV 范围内。这些应用需要能在这 100mV 的范围内分辨几微伏或几百微伏的差别。低激励电压可能非常接近地电平或地电平与正电源电压之间的某个共模电压。从这么小的传感器输出电压范围获得分辨率是一个挑战。增益系数每增加 2，放大器输出都提高 2 倍。这允许该 ADC 的分辨率为直接连接到传感器上时所需分辨率的一半(这意味着你需要的 ADC 分辨率低一位)。

      图 3a 详细说明了一种测量低压传感器的方法。放大器 A1 在信号进入 12 位 ADC 之前将信号放大 16 倍。这个放大器将 ADC 所需的灵敏度降低了 16倍，或 4位(24)。因此图 3a 中系统的分辨率与 16 位 ADC 直接连接到传感器上的系统的分辨率是一样的。假定传感器输出电压的值为 0.25V，那么放大器 A1 的输出将高达 4V。基于 5V 电源和单极性 0V 至 5V 输入范围，这个 12 位 ADC 现在可以利用 80% 的输入范围，而不是 5%。

      不过，使用放大器和较低分辨率的 ADC 有很多缺点。首先，通过放大器的偏移电压(VOS)，误差项直接加到了传感器的测量值上。其次，增益设置电阻的容限是电路的另一个误差源。这些误差源可能迅速累积。

      第三，放大器和增益电阻增大了总的解决方案尺寸。第四，设计师们必须意识到放大器输入共模范围和输出摆幅的限制。换句话说，尽管放大器可能被标成“轨至轨输出”，但是视负载情况而定，输出电压与地电平或正电源电压相差的值永远不会在 1mV 至 100mV 的范围。

      凌力尔特公司的 LTC2450 允许设计师将高分辨率 ADC 直接连接到传感器上(图 3b)，而不增加成本或牺牲隔离度。该 ADC 具有 16 位无漏码性能，能以在图 3a 中的 12 位 ADC 加上放大器 A1 组成的系统一样有效的分辨率于传感器的 0.25V 范围内进行测量。

      除了能测量 0.25V 的低电压传感器信号，LTC2450 的 0V 至 VCC输入范围还允许测量高达 5V 的单端信号。这允许该数据转换器在宽输入信号动态范围内输出一个准确的数字信号。由于去掉了放大器及其增益级，因此无需担心 VOS、电阻噪声或容限问题。用于放大器和电阻的电路板空间不再需要了，匹配电阻与漂移组件的需求也没有了。

      图 3a 所示是一个低压传感器，用增益为 16 的放大器提高进入 12 位 ADC 的电压值。在图 3b 中，无需放大器或匹配的 0.1% 增益设置电阻，16 位分辨率的 LTC2450 具有与图 3a 系统相同的分辨率

      传感器阻抗

      测量传感器信号的设计师们面临的另一个问题可能是传感器阻抗，传感器阻抗可能从几 Ω 至几 kΩ 或几 MΩ。大多数 ADC 的输入架构不是为准确测量高阻抗传感器的输出而设计的，这迫使设计师们在传感器和 ADC 之间插入缓冲器。你不得不再次担心偏移误差、电路板空间和缓冲器成本问题。

      LTC2450 的输入架构允许该 ADC 直接连接到阻抗高达几 kΩ 的传感器上，而不影响性能。假定 ADC 用 5V 电源，该 16 位 ADC 的每个有效位(LSB)将为 5V/65，536(76mV)。LTC2450 的输入采样电流极低，典型值仅为 50nA。因此，准确度降低未超过 1LSB时，源阻抗可能高达 1.5kW(76mV/50nA=1.5kW)。    

      就阻抗高于 1.5kW 的传感器而言，图 3b 所示电路能够非常容易地修改，可以增加一个具有低偏置电流的放大器，如 LTC6078，该器件在室温时输入偏置电流为 1pA。一个这类的例子是 pH 值传感器，其阻抗高于几 MW。假定传感器的阻抗为 5MW，放大器的输入偏置电流为 1pA，那么所产生的误差为 5mV(5MW×1pA)，这个误差项在 16 位分辨率(76mV)时仍远低于 1LSB，这可以确保设计师从 pH 值传感器获得准确、稳定的测量值。

      增加缓冲放大器以后(图4)，由于 LTC2450 的 50nA 低采样电流，设计师现在还可以在 ADC 之前使用低通滤波器。放置在 ADC 之前的 RC 网络极大地改善了系统的性能和易用性，同时提供低通和抗混叠滤波。电容器提供一个电荷库，提供 ADC 的瞬时采样电流，同时电阻隔离容性负载和放大器。

       图 4  通过增加外部缓冲器和低通滤波器，LTC2450 可以非常容易地测量阻抗大于 1.5kΩ 的传感器信号

      今天的大多数 ADC 都有高得多的采样电流，这意味着与 ADC 输入串联的 1kΩ 电阻会引起直流误差。

      结语

      随着设计师们不断尝试在更小的空间中实现更多的功能并降低预算，他们面临的难题也越来越多了。嵌入 ADC 的微控制器和其他低价、低分辨率 ADC 也许很容易用来监视电压、电流或温度这类模拟信号，但是进一步研究会发现，误差源和解决方案尺寸问题会累积，难以获得准确的读数。

      尽管缩小的设计从某些方面来看可能是好的，但是更小的集成电路封装不总是等于更好的性能。微控制器面临的一个问题是，随着这类器件基于更精细的细线工艺采用更小的晶体管，制造商保持嵌入式 ADC 的性能也将会越来越困难。

      LTC2450 采用手工设计，为 16 位性能而优化，在整个温度范围内性能有保证，仅占用 4mm2的电路板空间，该器件为取代嵌入式 ADC 或低分辨率 ADC 提供了一个简单的解决方案。LTC2450 的价格为 1.15 美元，如同用 12 位器件的价格获得了 16 位分辨率。