精準型工業(yè)系統要求新的數據轉換準確度水平

引言

許多工業(yè)系統都需要以最高的準確度來(lái)測量關(guān)鍵性的參數。實(shí)例包括地震監測、能源勘探、氣流感測和硅晶圓制造等。在每種場(chǎng)合中，這些系統均拓展了尖端信號處理技術(shù)的界限并要求 ppm 的準確度。此類(lèi)系統的設計高度精細復雜，并內置了寬動(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。

很多精準型工業(yè)系統的核心部分都是一個(gè)模數轉換器 (ADC)。該 ADC 扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色，其負責把模擬信號變換為數字信號以進(jìn)行數字信號處理。ADC 的準確度和性能常常決定了整體系統的準確度和性能。本文將討論突破性的數據轉換性能是怎樣實(shí)現更高準確度和更低成本的新一代工業(yè)系統。

精準型工業(yè)系統要求

精準型工業(yè)系統需要采用高分辨率 ADC 以對實(shí)際的模擬信號進(jìn)行數字化處理。模擬信號鏈路包括 ADC 和支持信號調理電路 (例如：放大器、濾波器和基準)，通常需要具備卓越的 DC 規格指標 (例如：偏移、增益和線(xiàn)性度)。

為了實(shí)現 ppm 級的分辨率和準確度，許多精準型工業(yè)系統實(shí)施了數字校準，旨在清除任何的系統級偏移和增益誤差。因此，系統準確度經(jīng)常受限于那些無(wú)法利用偶爾校準而加以抑制的誤差，而且系統設計師或許更加關(guān)注重要參數的潛在漂移，而不是其靜態(tài)值。例如：精準型系統有可能不僅需要在某一固定溫度下?lián)碛? ppm 級的準確度，而且還要求在很寬的工作溫度范圍內實(shí)現低于ppm/°C 的漂移準確度。

對于整體系統準確度來(lái)說(shuō)，ADC 的線(xiàn)性度是最讓人關(guān)切的。ADC 線(xiàn)性度由模擬輸入信號與 ADC 的內部設計及架構之間的復雜相互作用所決定。ADC 非線(xiàn)性誤差極其難以在系統級上進(jìn)行校準，因為此類(lèi)誤差在各數字代碼之間差別迥異，而且還因為它們可能是溫度的一個(gè)強函數。整個(gè)溫度范圍內的 ADC 線(xiàn)性度和穩定性對于精準型系統的總體準確度是極為重要的。

突破性的性能

為了應對這些設計挑戰，一個(gè)新的 20 位 SAR ADC 系列提供了前所未有的性能和準確度水平，從而簡(jiǎn)化了高精度工業(yè)系統的設計。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 20 位的無(wú)漏失碼分辨率和高達 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(xiàn)性 (INL) 誤差通常小于 0.5ppm，并且在整個(gè)工作溫度范圍內 (-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時(shí)獲得精準瞬像以及在單個(gè)時(shí)鐘周期之內完成一項模數轉換操作的能力。SAR ADC 以執行異步 “啟動(dòng)并運行” 操作見(jiàn)長(cháng)，而且它們由于能夠在同一個(gè)時(shí)鐘周期內立即獲得轉換結果而具備了簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。在沒(méi)有周期延遲的情況下產(chǎn)生準確轉換結果 (即使在經(jīng)歷了漫長(cháng)的空閑周期之后也是如此) 的能力使得 SAR ADC 成為眾多精準型應用的理想選擇，包括傳感器、控制環(huán)路、數據采集和自動(dòng)化測試設備。其他類(lèi)型的 ADC (例如：ΔΣ ADC 和流水線(xiàn)型 ADC) 則需要多個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成單個(gè)轉換。